高压下石榴子石结构和弹性的第一性原理研究

石榴子石是上地幔和地幔转换带的重要成分,掌握其高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成、结构以及动力学过程具有重要意义。为此,利用第一性原理计算了0～16 GPa压力下铝系列和钙系列常见的6种榴石(镁铝榴石、铁铝榴石、锰铝榴石、钙铬榴石、钙铝榴石和钙铁榴石)的晶体结构和弹性性质。结果表明:铝系列榴石的晶胞体积小于钙系列榴石;除镁铝榴石外,铝系列榴石的密度高于钙系列榴石。在石榴子石压缩过程中,多面体体积变化率由大到小依次为[XO_8]十二面体、[YO_6]八面体、[SiO_4]四面体,且变化率之比接近3∶2∶1,表明石榴子石的压缩机制主要受其结构中的十二面体控制。键角方差的变化表明:高压可以使钙系列榴石的四面体和八面体变得更加规则;而铝系列榴石则与其不同,高压下铝系列榴石的四面体变得更加不规则。研究发现:石榴子石的体弹模量随着铁铝榴石含量的增加而增大,随着钙铬榴石和钙铝榴石含量的增加而减小;而剪切模量则随着钙铝榴石含量的增加而增大,随着铁铝榴石和钙铬榴石含量的增加而减小。除镁铝榴石外,铝系列榴石的波速整体小于钙系列榴石。通过计算结果发现,石榴子石及其固溶体的波速在410 km附近与地球典型波速模型有交点,证明了石榴子石是地幔中的重要组分,且不同组成的石榴子石及固溶体的存在可能对地球地幔的波速结构产生重要影响。     

MgSiO3状态方程的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO_3的状态方程。研究表明,分子动力学模拟结果精确地再现了广泛温度和压强范围内MgSiO_3的摩尔体积。在300 K压强上升到140 GPa模拟的MgSiO_3状态方程和有效的实验值、他人的拟合值以及基于局域密度近似的第一原理计算结果基本一致。并且更高温度和更高压强下模拟的MgSiO_3状态方程和他人的计算值吻合的很好。另外,还分别计算了300、900、2000和3000 K压强上升到120 GPa时MgSiO_3的体积压缩率。     

高压下Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH晶体结构与弹性特征的第一性原理研究

Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了0~350 GPa条件下Py-FeO₂和Py-FeOOH以及0~170 GPa条件下ε-FeOOH的晶体结构与弹性性质。Py-FeO₂和Py-FeOOH的晶格常数随压强的增加呈逐渐减小趋势,而ε-FeOOH的晶格常数随压强增加而减小,其中c轴更容易被压缩。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的晶胞密度随压强增加而增大,按照密度由大到小依次为Py-FeO₂、Py-FeOOH、ε-FeOOH。3相的体积模量随压强的增加线性增加,Py-FeO₂和Py-FeOOH的剪切模量随压强的增加线性增加。对比体积模量可知,Py-FeO₂的体积模量最高,Py-FeOOH和ε-FeOOH的体积模量在高压下几乎一致;而Py-FeO₂的剪切模量最大,ε-FeOOH的剪切模量最小。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的压缩波速随压强的增加而增加,Py-FeO₂的剪切波速随压强的增加而增加。Py-FeOOH的剪切波速在0~2000 km深度范围内随深度增加而减小,在2000~6000 km深度范围内变化较小(在5.8~6.0 km/s之间);ε-FeOOH的剪切波速在33 GPa(约900 km深度)发生突变。3相中ε-FeOOH的波速最低,而Py-FeO₂的波速最高。综合计算结果表明,Py-FeO₂和Py-FeOOH具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区的性质一致。Py-FeO₂和Py-FeOOH在形成之后可能富集下沉到核幔边界,成为超低速区的来源。ε-FeOOH在超过33 GPa压强条件下发生的氢键对称化给ε-FeOOH的结构带来显著变化,同时氢键对称化会影响原子间相互作用,进而影响ε-FeOOH的弹性性质以及地震波速。     

第一性原理计算航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0到50GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究。结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大。并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化。通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性。同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响。     

高压下碱卤晶体的三参量等温状态方程

 由等温体积弹性模量的定义及其与压强关系的假设出发,导出了一个新的适用于高压下碱卤晶体的三参量等温状态方程。计算了室温下NaCl晶体在0～30 GPa压强范围内、CsCl晶体在0～40 GPa压强范围内的相对体积以及NaCl晶体在0～30 GPa压强范围内的等温体积弹性模量,计算结果与实验值一致。对等温体积弹性模量及其对压强的一阶、二阶导数与压强的关系进行了讨论,指出压强趋于无穷大时的等温体积弹性模量是常数。     

航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0～50 GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究.结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大.并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化.通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性.同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响.     

高压下SiO_2的第一性原理计算

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用Hartree-Fork(HF)方法,分别计算了Si O2的α-石英结构、金红石结构以及氯化钙结构的总能量随体积的变化关系。利用Murnaghan状态方程,通过能量和体积拟合,得到了3种结构的体变模量及其对压强的一阶导数。计算结果表明,随着压强的增加,Si O2会从α-石英结构转变为金红石结构,与实验结果和其它理论结果一致;金红石结构与氯化钙结构之间不存在相变,可以共存。此外,对具有α-石英结构的Si O2的晶格常数、电子态密度和带隙随压强的变化关系进行了计算和分析,结果表明:加压作用下,能带向高能方向移动,Si─O键缩短,电子数转移增加,带隙展宽,电荷发生重新分布。     

天然橄榄石单晶的压缩性

采用金刚石对顶砧高压装置和同步辐射X射线衍射技术,在常温下对两种天然橄榄石单晶(含铁的铁镁橄榄石(Mg_(1.83)Fe_(0.17))SiO_4和不含铁的纯镁橄榄石Mg_2SiO_4)进行了高压结构行为研究。实验结果表明,两种天然橄榄石单晶在最高压力为9.9GPa的条件下没有发生相变。采用二阶Birch-Murnaghan状态方程描述压力-晶胞体积(p-V)关系,获得了铁镁橄榄石和纯镁橄榄石在零压下的晶胞体积(0.292 9(3)、0.289 9(1)nm~3)和体积模量(140(3)、151(2)GPa)。两种镁橄榄石呈高度各向异性,轴压缩性表现为:b轴的压缩率最大,c轴次之,a轴的压缩率最小。随着铁组分的加入,橄榄石的体波速减小,两种橄榄石的体波速相差5.2%,该结果对于研究上地幔的物质构成和弹性波速具有一定的意义。     

天然橄榄石单晶的压缩性北大核心CSCD

采用金刚石对顶砧高压装置和同步辐射X射线衍射技术,在常温下对两种天然橄榄石单晶(含铁的铁镁橄榄石(Mg_(1.83)Fe_(0.17))SiO_4和不含铁的纯镁橄榄石Mg_2SiO_4)进行了高压结构行为研究。实验结果表明,两种天然橄榄石单晶在最高压力为9.9GPa的条件下没有发生相变。采用二阶Birch-Murnaghan状态方程描述压力-晶胞体积(p-V)关系,获得了铁镁橄榄石和纯镁橄榄石在零压下的晶胞体积(0.292 9(3)、0.289 9(1)nm^3)和体积模量(140(3)、151(2)GPa)。两种镁橄榄石呈高度各向异性,轴压缩性表现为:b轴的压缩率最大,c轴次之,a轴的压缩率最小。随着铁组分的加入,橄榄石的体波速减小,两种橄榄石的体波速相差5.2%,该结果对于研究上地幔的物质构成和弹性波速具有一定的意义。     

很热余核破碎瞬时的状态方程

用正则系综蒙特卡罗模拟方法研究余核破碎问题时,若对碎块位置的平均采取近似的办法,就可以得到余核(RT)系统破碎时的状态方程.本文用数值方法计算了该状态方程,得到了广义压强(P)-体积(V_RT)平面上的等温曲线;它与Van der Waals气体相应等温线有类似之处;相变温度就应该对应于只有一特点的等温曲线的温度.本文又指出,描写破碎问题的统计模型中的两个参数,即破碎温度(T)和破碎体积(V_RT),在一定的变化范围内都能符合碎块质量分布数据.也就是说,(T,V_RT)对不是唯一的.一定温度下与实验符合最好的一对参数,就是相应等温线的两相共存区内压强的极大点.     

高压下钙钛矿结构MgSiO3的分子动力学研究

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO3的状态方程.研究表明,分子动力学模拟结果很好地再现了广泛温度和压强范围内钙钛矿结构MgSiO3的摩尔体积.温度300 K压强上升到120 GPa模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和有效的实验结果基本一致.在更高温度和更高压强下模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和他人的计算值吻合的很好.另外,还分别计算了温度300 K,900 K,1500 K和2500 K压强上升到120 GPa时MgSiO3的体积压缩率.     

理想气体状态方程——从经典到量子

1 经典理想气体状态方程 1662年玻意耳和1679年马略特发现气体的压强p和体积V的乘积,在温度T一定下,是一个常量,称为玻意耳-马略特定律.     

高压下单晶LiF的光学及热力学性质的密度泛函理论研究

采用平面波赝势密度泛函方法,对单晶氟化锂(LiF)在0~500 GPa静水压下的光学性质进行了理论研究,并利用Vinet状态方程和准简谐Debye模型得到了其热力学性质.理论计算结果表明单晶氟化锂(LiF)在0~500 GPa静水压范围内具有良好的透明性,吸收波段随压强的增加而出现了蓝移.计算所得晶格常数、体积模量及其对压强的一阶导数与实验值相符合.     

高温高压下液态铁的状态方程

基于高温高压下面心立方(FCC)铁的状态方程和熔化温度实验数据,建立了热力学模型计算FCC铁、固-液混合相、液态铁在高温高压下的状态方程.在相同密度和温度下,计算的FCC铁、固-液混合铁、液态铁的压强与实验测量结果较为一致,且计算结果与实验结果平均偏差分别为-1.61 GPa、1.05 GPa、-0.05 GPa.在0～100 GPa压强范围内,当铁完全发生熔化时,随着压强的增大其密度变化由-7.5%下降至2.7%.     

四方、单斜和正交Ge3N4的结构、电子结构和热力学性质

数值计算了四方、单斜和正交结构Ge₃N₄的点阵常数、晶胞体积、弹性模量、维氏硬度和态密度.计算结果与已有的实验数据和理论值符合得很好.形成焓为负、晶格形变和晶胞体积随压强呈线性变化,表明三种相在0~20 GPa压强范围内可以保持结构稳定.态密度研究表明三种氮化锗内部存在强烈的s-p杂化.三种相都属于脆性半导体材料,具备各向异性且硬度适中.采用包含原子振动和非谐效应的准谐波近似方案,研究材料的热力学性质,发现压强对赫姆霍兹自由能和内能有显著影响.结果为进一步理解氮化锗三种新结构的电子结构和热力学性质提供初步的物理图像.     

四方、单斜和正交Ge_3N_4的结构、电子结构和热力学性质（英文）

数值计算了四方、单斜和正交结构Ge_3N_4的点阵常数、晶胞体积、弹性模量、维氏硬度和态密度.计算结果与已有的实验数据和理论值符合得很好.形成焓为负、晶格形变和晶胞体积随压强呈线性变化,表明三种相在0~20 GPa压强范围内可以保持结构稳定.态密度研究表明三种氮化锗内部存在强烈的s-p杂化.三种相都属于脆性半导体材料,具备各向异性且硬度适中.采用包含原子振动和非谐效应的准谐波近似方案,研究材料的热力学性质,发现压强对赫姆霍兹自由能和内能有显著影响.结果为进一步理解氮化锗三种新结构的电子结构和热力学性质提供初步的物理图像.     

多组元混合物状态方程

根据等温等压的热力学平衡条件及体积相加原理,建立了一种多组元混合物状态方程理论模型,基于单质的状态方程,得到混合物的内能、压力、定容比热容、压强系数、等温声速等。采用该模型计算了一种4组元钨合金的状态方程,与状态方程库提供的合金状态方程符合得较好。     

泥质岩体系高温高压变质过程中温度对石榴子石Fe-Mg分异的影响（英文）

在700~780℃、2.1~2.9GPa温压范围内,对天然泥质岩体系进行了高温高压实验,对体系中生成的石榴子石的Fe-Mg组成受温度的影响进行了研究。实验产物中石榴子石主要以MgO和FeO为主要组成。石榴子石中镁铝榴石和铁铝榴石含量高于88%(质量分数),钙铝榴石和锰铝榴石含量低于12%。石榴子石中FeO和MgO含量与温度呈现明显线性关系,但与压力没有呈现线性关系。研究结果确定了具有复杂化学组成的天然泥质岩体系中石榴子石Fe-Mg组成特征随温度的变化趋势,为确定泥质岩原岩组成的榴辉岩相岩石的变质温度提供了实验研究结果。     

重离子核反应与核物质状态方程

核物质状态方程描述核物质结合能、压强、密度和中子—质子数差异等宏观量之间的关系。核物质状态方程不仅仅与核力属性、核结构性质以及重离子核反应的动力学过程紧密相关,还与致密星体如中子星的结构、演化、辐射与并合等天体过程紧密相关。基于加速器装置的重离子核反应实验,是地面实验室模拟产生极端条件核物质的唯一手段,因而也成为研究核物质状态方程的有效途径。当核物质中的中子数远大于质子数时,例如中子星内部的情形,核物质状态方程中的主要贡献项是对称能项。迄今为止,对称能关于密度的函数是核物理和天体物理中一个未知而又非常重要的物理量。通过重离子核反应的实验和理论研究来确定对称能的密度依赖关系及其在核反应以及致密星天体事件中的物理效应,是当代核物理基础研究的重要前沿。文章介绍了中能重离子核反应和核物质状态方程的一些背景知识和研究方法,以及近年来的一些进展。     

La(Fe,Si)_(13)化合物的居里温度机制

NaZn13型La(Fe,Si)13化合物随Si含量增加,相变性质由一级过渡为二级,化合物晶胞体积收缩,饱和磁化强度降低,居里温度升高.其居里温度与晶胞体积之间的关系不能用Bethe-Slater曲线给出合理的解释.本文利用添加间隙原子碳调节La(Fe,Si)13化合物晶胞体积和居里温度的方法,系统研究了该化合物居里温度与晶胞体积之间的关系.结果发现二者之间的变化规律遵循Jaccarino-Walker模型,即仅有5%甚至更少的3d电子被认为是真正的巡游电子,其余的3d电子仍是局域的.以极化的巡游电子为媒介,局域电子之间产生类似于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida的长程相互作用,相互作用的符号和大小与距离呈周期性震荡.随Si含量的增加,La(Fe,Si)13化合物巡游电子数目增加,化合物的居里温度由晶胞体积和巡游电子的浓度共同决定.