金红石结构TiO2结构和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及准谐德拜模型研究了金红石TiO2的结构和热力学性质。常温常压下所计算的晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数与实验值和其他理论计算结果相符的较好。另外,我们还计算了体弹模量、热膨胀系数、热容与温度和压强的关系。     

NbSi2奇异高压相及其热力学性质的第一性原理研究

采用基于粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO, 并结合第一性原理的VASP程序, 在175 GPa发现NbSi₂的奇异立方高压相. 在此结构中, Nb原子形成金刚石结构, 而Si原子则形成正四面体镶嵌在金刚石结构中. 声子谱计算结果表明该结构是动力学稳定的. 电子结构分析表明, 六角相和立方相NbSi₂均为金属, 对金属性贡献较大的是Nb原子, 而且Nb和Si原子之间存在明显的p-d杂化现象, 电荷更多地聚集在Si四面体中. 利用“应力应变”方法, 计算了NbSi₂的弹性常数, 分析了其体积模量、剪切模量、杨氏模量和德拜温度等热动力学性质随压力的变化并进行了详细的讨论. 根据剪切模量和体积模量的比值分析了NbSi₂两种相结构的脆性和延展性, 发现压力会导致六角相NbSi₂的延展性增加, 但对立方相结构的延展性影响较小; 采用经验算法计算了NbSi₂两种相结构硬度变化情况, 结合这一比值进行了详细的分析. 弹性各向异性计算结果表明, 随着压力增加, 六角结构的各向异性增强, 而立方结构的各向异性减小.     

CaS电子结构和热力学性质的第一性原理计算

根据密度泛函理论,采用平面波赝势和广义梯度方法,计算了Ca S的晶体结构和电子结构.通过准谐徳拜模型预测了硫化钙的体积变化率、体弹模量、热膨胀系数分别与温度和压强的变化关系,以及热容和温度的变化关系.     

金红石结构TiO2结构和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及准谐德拜模型研究了金红石TiO₂的结构和热力学性质.常温常压下所计算的晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数与实验值和其他理论计算结果相符的较好.另外,我们还计算了体弹模量、热膨胀系数、热容与温度和压强的关系.     

MgCu4Sn型稀土镁合金相力学和热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了典型立方结构合金相LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)的力学特性和热力学特性。根据广义胡可定律计算了合金相的单晶弹性常数;根据单晶弹性常数和Hershey’s averaging方法计算了合金相的多晶弹性模量、泊松比、Zener各向异性因子和德拜温度。采用基于准谐近似的Gibbs2代码计算了LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)合金相的吉布斯自由能、熵和等体热容与温度的关系。LaMgNi4的计算结果与其他文献计算结果及实验结果符合的很好。结果表明：LaMgX4 (X= Co, Ni, Cu)合金均为延展性、塑性和弹性各向异性材料。德拜温度按以下顺序递减：LaMgNi4>LaMgCu4>LaMgCo4。     

AlAs相变及热动力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的全势能线性糕模轨函法研究了闪锌矿（B3）,NiAs（B8）和岩盐（B1）结构的AlAs的相变、结构性质以及热动力学性质.对B3-B8和B3-B1结构的能量体积曲线做公切线,得到了B3→B8相变压力为5.44 GPa,并预测到B3→B1相变压力为6.46 GPa.同时计算了高压下B8相的结构性质,结果显示当V/V₀≈0.7—1.05时,c/a基本保持恒定（仅有约 0.2%的波动）;当V/V₀≈0.4—0.7,c/a随着V/V₀的减小而近似线性地增大.通过状态方程拟合,得到了AlAs的相对体积V/V₀与压强P的函数关系,B8相的状态方程与实验结果符合很好.最后利用准谐德拜模型得到了AlAs的体弹模量B随压力P的变化关系以及不同压强下热容C_V与温度T的关系. 关键词： 相变 热力学性质 第一性原理     

Mg2Sn电子结构及热力学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Mg2Sn基态的电子结构、弹性常数和热力学性质.计算结果表明Mg2Sn的禁带宽度为0.1198eV.运用线性响应方法确定了声子色散关系和态密度,得出Mg2Sn的热力学性质如等容比热和德拜温度.计算Mg2Sn的热导率并与实验数据相比较.     

ZrV2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究ZrV₂的晶体结构和弹性,利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0~1200 K)和不同压强(P=0~20 GPa)下ZrV₂的热力学性质,包括弹性模量与压强,热熔与温度,以及热膨胀系数与温度和压力的关系.结果表明:计算的ZrV₂晶格常数与实验值符合较好,晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减小,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加,且高压下温度对ZrV₂热膨胀系数的影响小于压强的影响.     

高压下硫化钙的弹性和热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法结合准谐德拜模型研究NaCl结构的CaS在高压下的弹性和热力学性质.计算得到的零温零压下的晶格常数、体弹模量与实验值符合得很好.弹性常数和弹性模量随着压强的增大而增大.压强对体弹模量和热膨胀系数的影响大于温度的影响.热容随压强的升高而降低,在高温下热容接近于Dulong-Petit极限.通过求解Gibbs自由能计算得到B1结构和B2结构CaS的相变压为36.61 GPa.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系.结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600 K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17％,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

氟阴离子掺杂对NaMgH3储氢性能影响的第一性原理研究

化学氢化物NaMgH₃由于具有较高的氢质量和体积密度而被认为是颇具开发潜力的贮氢材料之一.文中采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势（PW-PP）方法,初步探讨了氟阴离子影响NaMgH₃放氢性能的机理.计算结果表明,氟取代氢化物中的部分氢导致了氢化物形成焓及反应焓的降低,改善了体系的热力学性能,有利于氢化物的放氢. 关键词： 储氢材料 氟掺杂 形成焓 反应焓     

各Li吸附组分下硅烯氢存储性能的第一性原理研究

利用Li原子对硅烯进行表面修饰是提高硅烯氢存储能力的一种有效方法.为了充分挖掘Li修饰硅烯的氢存储性能,本文采用范德瓦耳斯作用修正的第一性原理计算方法,对不同Li吸附组分下硅烯的结构、稳定性和氢存储能力进行了研究.研究结果表明,硅烯体系能够在Li组分从0.11增加到0.50时保持稳定,其最大储氢量随Li组分的增加而增大,氢气平均吸附能则存在减小趋势;当Li组分达到0.50而饱和时,硅烯体系具有最大的储氢量,相应的质量储氢密度为11.46 wt%,平均吸附能为0.34 eV/H2,远高于美国能源部设定的储氢标准,表明提高Li组分甚至使其达到饱和在理论上能有效提高Li修饰硅烯的储氢性能.此外,通过对Mulliken电荷布居、差分电荷密度和态密度的分析,发现Li修饰硅烯的储氢机制与电荷转移诱导的静电相互作用和轨道杂化作用有关.研究结果可为Li修饰硅烯在未来氢存储领域的应用提供理论指导.     

钒基固溶体储氢材料弹性性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了（59Cr-41Ti）_100－xV_x（x=5,15,30,60,80,100）六种钒基储氢合金的晶格常数、弹性性质和电子态密度,计算结果与实验值符合较好.发现当x=60时的钒基合金具有较好弹性性质,杨氏模量为14930 GPa,切变模量为5442 GPa及体弹模量为19396 GPa.结合实验循环性能分析认为在吸放氢过程中合金已经发生塑性变形,弹性 关键词： 钒基固溶体 储氢合金材料 密度泛函理论 弹性性质     

High volumetric hydrogen density phases of magnesium borohydride at high-pressure: A first-principles study

The previously proposed theoretical and experimental structures,bond characterization,and compressibility of Mg(BH 4) 2 in a pressure range from 0 to 10 GPa are studied by ab initio density-functional calculations.It is found that the ambient pressure phases of meta-stable I4 1 /amd and unstable P-3m1 proposed recently are extra stable and cannot decompose under high pressure.Enthalpy calculation indicates that the ground state of F 222 structure proposed by Zhou et al.[2009 Phys.Rev.B 79 212102] will transfer to I4 1 /amd at 0.7 GPa,and then to a P-3m1 structure at 6.3 GPa.The experimental P 6 1 22 structure(α-phase) transfers to I4 1 /amd at 1.2 GPa.Furthermore,both I4 1 /amd and P-3m1 can exist as high volumetric hydrogen density phases at low pressure.Their theoretical volumetric hydrogen densities reach 146.351 g H 2 /L and 134.028 g H 2 /L at ambient pressure,respectively.The calculated phonon dispersion curve shows that the I4 1 /amd phase is dynamically stable in a pressure range from 0 to 4 GPa and the P-3m1 phase is stable at pressures higher than 1 GPa.So the I4 1 /amd phase may be synthesized under high pressure and retained to ambient pressure.Energy band structures show that they are both always ionic crystalline and insulating with a band-gap of about 5 eV in this pressure range.In addition,they each have an anisotropic compressibility.The c axis of these structures is easy to compress.Especially,the c axis and volume of P-3m1 phase are extraordinarily compressible,showing that compression along the c axis can increase the volumetric hydrogen content for both I4 1 /amd and P-3m1 structures.     

Thermodynamic properties of cubic ZrC under high pressure from first-principles calculations

The elastic and thermodynamic properties of Zirconium carbide (ZrC) are investigated by ab initio plane-wave pseudopotential density function theory method. The obtained lattice constant, elastic constant and bulk modulus B are consistent with the experimental and theoretical data. Through the quasi-harmonic Debye model, the dependences of the normalized volume V/V ₀ and the bulk modulus B on pressure P, as well as the specific heat C _V on the temperature T are obtained successfully. The relationships of the thermal expansion α with temperature and pressure are also investigated, which indicate the temperature hardly has any effect on the thermal expansion α at high pressure. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10776022)     

DFT study of hydrogen storage in Pd-decorated C60 fullerene

Hydrogen storage reactions on Pd-doped C₆₀ fullerene are investigated by using the state-of-the-art density functional theory calculations. The Pd atom prefers to bind at the bridge site between two hexagonal rings, and can bind up to four hydrogen molecules with average adsorption energies of 0.61, 0.45, 0.32, and 0.21 eV per hydrogen molecule. With no metal clustering, the system gravimetric capacities are expected to be as large as 5.8 wt%. While the desorption activation barriers of the complexes nH₂ + Pd–C₆₀ with n = 1 are outside the department of energy (DOE) domain (?0.2 to ?0.6 eV), the desorption activation barriers of the complexes nH₂ + Pd–C₆₀ with n = 2–4 are inside this domain. While the interaction of 1H₂ with Pd + C₆₀ is irreversible at 459 K, the interaction of 2H₂ with Pd + C₆₀ is reversible at 529 K. The hydrogen storage of the irreversible 1H₂ + Pd–C₆₀ and reversible 2H₂ + Pd–C₆₀ interactions are characterised in terms of densities of states, infrared, Raman, and proton magnetic resonance spectra, electrophilicity, and statistical thermodynamic stability.     

锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了两种石墨烯点缺陷处原子的分波态密度(PDOS),能带结构和差分电荷密度等,研究了锂掺杂对两种本征石墨烯缺陷C-Bridge和C7557电子结构的改性,以及对其储氢能力的影响.结果表明Li原子能够稳定的掺杂且不易形成团簇,并且Li原子掺杂石墨烯能够对石墨烯能带中的狄拉克锥和费米面起到调控作用,增强了缺陷石墨烯的电子活性.本征缺陷石墨烯的储氢能力较弱,缺陷石墨烯的储氢能力可以通过Li掺杂来改善.     

Topological properties of Sb(111) surface: A first-principles study

First-principles calculations based on the density functional theory were performed to systematically study the electronic properties of the thin film of antimony in (111) orientation. By considering the spin-orbit interaction, for stoichiometric surface, the topological states keep robust for six-bilayer case, and can be recovered in the three-bilayer film, which are guaranteed by time-reversal symmetry and inverse symmetry. For reduced surface doped by non-magnetic Bi or magnetic Mn atom, localized three-fold symmetric features can be identified. Moreover, band structures show that the non-trivial topological states stand for non-magnetic substitutional Bi atom, while can be eliminated by adsorbed or substitutional magnetic Mn atom.     

Mg2Sn电子结构及热力学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Mg₂Sn基态的电子结构、弹性常数和热力学性质.计算结果表明Mg₂Sn的禁带宽度为0.1198eV.运用线性响应方法确定了声子色散关系和态密度,得出Mg₂Sn的热力学性质如等容比热和德拜温度.计算Mg₂Sn的热导率并与实验数据相比较. 关键词： 第一性原理 电子结构 弹性常数 热力学性质