Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)电子结构、弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法,通过广义梯度近似研究了Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)的相结构、能量、电子结构和弹性性质.首先对六方晶相结构的Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)四个相进行几何优化,对其能带结构、总态密度、分态密度和电荷密度分布以及弹性性质进行研究,并计算各相的内聚能与形成能.计算结果表明:Ti_3GeC_2较其他三相稳定,Ti_3AlC_2的形成能最低,说明Ti_3AlC_2较Ti_3SiC_2,Ti_3SnC_2和Ti_3GeC_2更易生成;Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相在费米能级处的电子态密度较高,材料表现出较强的金属性,同时各相的导电性为各向异性.Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相的导电性主要由Ti的3d电子决定,A(A=Si,Sn,Al,Ge)的p态电子和C的2p态电子也有少量贡献.决定材料电学性质的主要是Ti的3d,A的P和C的2P态电子的P-d电子轨道杂化,而P-d电子轨道杂化成键则使材料具有比较稳定的结构;对Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)弹性性质的研究表明Ti_3AlC_2的原子间结合力较弱,而Ti_3GeC_2的原子间结合力相对较强,材料的强度较大.     

Al掺杂Mg_2Ge光电性质的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了不同Al掺杂浓度下Mg_2Ge的电子结构及光学性质.建立了四种Mg_(2-x)Al_xGe(x=0,0.125,0.25,0.5)的掺杂模型,计算结果表示Al掺杂后的Mg_2Ge,费米能级进入导带,呈现出n型导电特性,掺杂后本征Mg_2Ge费米能级附近的导带架构发生了改变,变为主要由Al的3p态电子、Ge的4s态电子和Mg的3s、3p态电子组成;静介电常数ε_1(0)和折射率n_0均增大;吸收光谱发生红移,吸收系数最大值略微减小;光电导率峰值在x=0.125时取得极大值;能量损失函数发生蓝移且x=0.125时蓝移现象最为明显.     

CaAl2X2(X=C,Si,Ge)的稳定性、电子结构和力学性质研究

由于AB2X2类型的材料在储能、催化、超导、发光等领域都有着潜在应用价值,因此得到了广泛关注。本文通过第一原理方法计算分析了CaAl2X2(X=C,Si,Ge)的材料声子谱、电子结构、力学性质和硬度,其主要结果为：材料晶格常数的计算结果和实验值都与理论结构符合的很好;CaAl2C2和CaAl2Si2材料的声子谱没有出现虚频,表明这两种材料在热力学及动力学上是稳定的;计算的材料的能带结构表明,CaAl2Si2和 CaAl2Ge2具有金属特性, CaAl2C2具有较小带隙的间接半导体材料。这类材料的金属特性,热稳定性及力学各项异性特征对于其作为二次电池活性电极有着重要影响,因此本文的研究结果可为相关领域的研究提供较好的理论依据及参考。     

Al掺杂对Mg_2Si介电性质影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征Mg_2Si和Al掺杂Mg_2Si的形成能、电子结构和介电函数.结果表明,Al掺杂Mg_2Si后,Al以替位杂质(Al替Mg位,即AlMg)或填隙杂质(Al位于晶胞间隙位,即Ali)的形式进入Mg_2Si晶格.费米能级进入导带,体系呈n型导电.掺杂后体系的介电函数的实部和虚部在低频时比未掺杂时均增大,主要是由于晶格中的施主杂质Al离子束缚着附近的过剩电子,在外加交变电场的作用下,束缚在Al离子周围的电子要克服一定的势垒不断地往复运动造成松弛极化和损耗.另外,掺杂体系相对于未掺杂体系,介电函数的虚部在0.5 eV附近出现了一个额外的介电峰,该峰主要是由电子从价带跃迁到Al杂质能级引起的.计算结果为Mg_2Si基光电子器件的设计和应用提供了理论依据.     

FeMnP_(1-x)T_x(T=Si,Ga,Ge)系列化合物机械性能的第一性原理研究

以密度泛函理论为基础,使用投影缀加波方法、VASP程序包研究了FeMnP_(1-x)T_x(T=Si,Ga,Ge)化合物的力学性质,结果表明FeMnP_(1-x)Ga_x化合物的晶格参数、弹性常数和电子结构与FeMnP_(1-x)Ge_x化合物比较接近,同时该化合物在力学上稳定,是预期具有较大的磁熵变和高磁热效应的材料.依据Pugh判据,FeMnP_(0.67)T_(0.33)(T=Si,Ga,Ge)化合物具有良好的延展性,三者之中FeMnP_(0.67)Ga_(0.33)韧性最好,FeMnP_(0.67)Si_(0.33)韧性相对较差,说明Ga替代P可改善此类化合物的机械性能.最后从化合物体系电子总态密度随不同掺杂T原子的演化规律解释了自洽计算得到的弹性常数的变化规律.     

H对Mg_2Si力学性能影响的第一性原理研究

Al-Mg-Si系铝合金在氢环境服役时,因遭受氢损伤而导致力学性能退化.Mg_2Si是Al-Mg-Si系铝合金主要的热处理强化相,其力学性能直接决定着Al-Mg-Si系铝合金的强度.本文采用基于密度泛函数理论的第一性原理计算方法,研究了间隙H原子对Mg_2Si力学性能的影响.首先计算了Mg_2Si的单晶体弹性常数C_(11),C_(12)和C_(44),在通过Hill模型计算了多晶体的弹性模量、泊松比及硬度,并进一步计算了H对Mg_2Si晶粒拉伸性能的影响,最后对H原子掺杂引起的Mg_2Si晶体态密度变化进行了分析.结果表明:H原子的引入显著降低Mg_2Si晶体的剪切模量和弹性模量,从而使得体系强度、硬度降低,韧性提高.拉伸性能计算也表明H原子引起Mg_2Si晶体断裂强度降低、断裂延伸率提高.态密度分析表明,Mg_2Si晶体中引入氢原子,将引起Mg_2Si晶体由半导体性质向金属性质的转变,从而造成体系强度、硬度的降低,韧性增加.本文计算结果可以为揭示以Mg_2Si为增强相的材料在氢环境中强度降低机理提供参考依据.     

Mg_2Ge吸收系数和能量损失函数的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了Mg_2Ge基态的电子结构、电子态密度、弹性常数以及主要光电性质.计算结果表示Mg_2Ge是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0.2136 eV;其价带主要由Ge的4s,4p态电子组成,导带则主要由Mg的3s,3p以及Ge的4p态电子组成;静态介电常数ε_1(0)=25.294;折射率n_0=4.5043;吸收系数最大峰值为396560.9 cm~(-1);通过计算弹性常数解释了Mg_2Ge的脆性;并分析了所计算的Mg_2Ge光电性质和其能带结构,为Mg_2Ge提供了在光电应用领域的理论依据和实验指导.     

Mg_2Ge吸收系数和能量损失函数的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了Mg_2Ge基态的电子结构、电子态密度、弹性常数以及主要光电性质.计算结果表示Mg_2Ge是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0.2136 e V;其价带主要由Ge的4s,4p态电子组成,导带则主要由Mg的3s,3p以及Ge的4p态电子组成;静态介电常数ε_1(0)=25.294;折射率n_0=4.5043;吸收系数最大峰值为396560.9 cm~(-1);通过计算弹性常数解释了Mg_2Ge的脆性;并分析了所计算的Mg_2Ge光电性质和其能带结构,为Mg_2Ge提供了在光电应用领域的理论依据和实验指导.     

压力下氮化铝相转变及结构性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了AlN的六角纤锌矿结构(B4),岩盐矿结构(B1),过渡态中间相六方结构(Hexa)和过渡态中间相四方结构(Tetra),计算了AlN在不同压力下B4和B1结构和过渡态中间相六方结构和四方结构的焓值,计算发现B4和B1相的转变压力是17.27 GPa,低压区中间相六方结构稳定,高压区中间相四方结构更稳定,AlN的常见的B4结构是直接带隙结构,带隙宽度是4.095 eV,带隙宽度与外压力之间关系符合二次函数方程,与其它理论研究结果一致.     

磁无序及合金化效应影响Co2CrZ(Z=Ga,Si,Ge)合金相稳定性和弹性常数的第一性原理研究

采用确切的Muffin-Tin轨道结合相干势近似方法,本文系统计算研究了0 K下,磁无序及合金化效应影响Co₂CrZ(Z=Ga,Si,Ge)合金L2₁和DO₂₂相稳定性的规律性及物理机理.研究结果表明,0 K下,L2₁相合金晶格常数、体弹性模量、磁矩和弹性常数均与理论和实验值基本吻合;铁磁下合金具有L2₁结构,随磁无序度(y)的增大,L2₁相能量相对逐渐增大,最终由低于转变到高于D0₂₂相,因此,当y≥0.1(0.2)时,Z=Si和Ge(Z=Ga)的合金具有DO₂₂相稳定结构;随y的增大,L2₁相的四方剪切弹性模量(C’=(C₁₁-C₁₂)/2)还不断软化,表明无论在能量还是力学角度上,磁无序都有利于3种合金发生四方晶格变形;磁无序影响L2₁和D0₂₂相相对稳定性的电子结构机理归因于Jahn-Teller...     

高压下CaPo弹性性质和热力学性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论的平面波赝势方法预测研究了CaPo从岩盐结构(B1结构)到氯化铯结构(B2结构)的相变以及B1结构CaPo高压下的弹性性质以及热力学性质等.通过等焓原理发现B1→B2的相变压力为22.8GPa. 同时计算了B1结构CaPo高压下的弹性常数以及剪切模量、杨氏模量等相关弹性参数,结果发现当压力超过20GPa时,B1结构CaPo开始不稳定了,这和等焓原理所得结果相符合. 最后通过Debye模型成功获取了B1结构C 关键词： 相变 弹性性质 热力学性质 CaPo     

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.     

Ru2Si3在应力作用下的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论(Density functional theory)赝势平面波方法,对应力下Ru2Si3的电子结构和光学性质进行了理论计算和比较.计算结果表明:随着正应力的逐渐增大,导带向高能方向移动,带隙Eg明显展宽;随着负应力的逐渐增大,带隙缓慢减小并且始终为直接带隙.光学性质曲线随着负应力的不断...     

Cd_xZn_(1-x)O合金热力学性质的第一性原理研究

ZnO的能带工程是当前ZnO研究的热点之一通过等价阳离子如Cd,Be,Mg等部分取代Zn形成CdZnO,BeZnO,MgZnO等合金来调控ZnO带隙的研究己广泛开展.其中,Cd的掺杂可以减小ZnO的禁带宽度,使CdZnO合金在紫外一可见光波段光电器件中具有潜在的应用价值.本文利用第一性原理计算结合集团展开法,通过研究纤锌矿(WZ)和岩盐矿(RS)型Cd_xZn_(1-x)O合金不同Cd掺杂含量下各种构型的形成能,发现了纤锌矿结构的两种亚稳相Cd_(1/3)Zn_(2/3)O,Cd_(2/3)Zn_(1/3)O;对其晶格常数·键长·键角和电子结构的分析表明,随着Cd掺杂量的增大,晶格常数a,c均逐渐增大,而c/a值逐渐减小,O—Zn(Cd)—O键角及合金禁带宽度均逐渐减小.通过对Cd_xZn_(1-x)O合金的有效集团交互系数的分析得出,两个原子组成的集团中其有效集团交互系数最大,表明两原子集团对用集团展开法计算的形成能贡献最大.通过比较第一性原理计算的形成能和集团展开法拟合计算得到的形成能,发现两者相差很小,表明采用集团展开法拟合计算Cd_xZn_(1-x)O合金的形成能准确、可靠,通过对大量Cd_xZn_(1-x)O合金的形成能分析发现,大部分Cd_xZn_(1-x)O的形成能比同组分的ZnO与CdO混合相的能量高,表明ZnO和CdO互溶时会形成固溶度间隙,低温下难以实现全组分固溶.在此基础上,我们计算了WZ-和RS-Cd_xZn_(1-x)O随机合金的形成能并得到了相图.对于纤锌矿结构,其临界温度为1000 K;对于岩盐矿结构,其临界温度为2250 K.更高的临界温度表明Cd_xZn_(1-x)O难以形成岩盐矿结构的合金.进一步计算获得WZ-和RS-Cd_xZn_(1-x)O的两相相图,发现Cd较易固溶于WZ-ZnO中,而Zn较难固溶于RS-CdO中.     

二维BX(X=S,Se,Te)结构预测与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结合密度泛函理论的VASP软件包,预测得到二维BX(X=S、Se、Te)的最低能量结构,该结构是由B和X原子形成的双层褶皱的六角密堆积结构,层与层之间较强的B-B键是稳定结构的关键．凝聚能和声子谱计算结果表明二维BX(X=S、Se、Te)在热力学和动力学上均是稳定的．能带结构和电子态密度的计算分析发现三种二维材料均呈现间接带隙半导体行为,带隙分别为3.98 eV（BS）、3.84 eV（BSe）和2.31 eV（BTe）. 采用“应力应变”方法,计算得到二维BX(X=S、Se、Te)的弹性常数、杨氏模量、泊松比以及杨氏模量和泊松比随方向变化的关系并进行了详细的讨论, 发现杨氏模量和泊松比呈现各向同性. 除此之外,我们还研究了二维BX(X=S、Se、Te)的应力-应变关系,发现BTe较BS和BSe有较强的抗拉伸性．由于BS和BSe在价带顶有效质量较大,为此,我们采用形变势理论研究了BTe的载流子迁移率. 结果发现BTe在ao1和ao2方向上的电子迁移率分别为20.8和122.6 cm2V-1s-1,而空穴在两个方向上的迁移率分别为673.4和65.0 cm2V-1s-1, 空穴在ao1方向上的较高的迁移率说明二维BTe具有较好的输运性质．     

YPd3X(X=B,C)晶体结构、弹性性质与电子结构的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)和GGA+ U(在位库仑势)下,采用第一性原理方法系统地研究了三元过渡金属硼碳化合物YPd3 X(X=B,C)的晶体结构、弹性性质、电子结构和成键特性.计算的晶格参数和体弹性模量均与报道的实验结果吻合,而YPd3 X(X=B,C)的弹性参数计算值则表明YPd3C的硬度大于YPd3B.根据晶体机械稳定标准得到YPd3B和YPd3C的失稳临界压强分别约为16.5 GPa和23 GPa.由Pugh经验关系可知YPd3X(X=B,C)均属于韧性材料,且YPd3B的韧性略高于YPd3C.电子能带结构分析表明YPd3B和YPd3C均具有金属特性,且导电能力相当.由态密度和电荷密度分析得知,X与Pd之间形成较强的共价键,而Y与Pd3X之间形成离子键,化学键键能的不同是两种材料的弹性参数存在差异的内在原因.上述的研究结果为YPd3X(X=B,C)的力电材料的设计和应用提供了一定的理论依据.     

XPO4(X=Lu, Y)电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)第一性原理对LuPO₄和YPO₄两种磷酸盐晶体的电子结构进行计算模拟.结果表明:LuPO₄的带隙为5.639 eV,YPO₄的带隙为4.884 eV.通过对态密度的分析得知LuPO₄的导带主要贡献来自Lu的5d态电子,费米能级附近价带主要由Lu的4f态和O的2p态电子贡献. YPO₄的导带主要贡献来自Y的4d态电子,价带顶的主要贡献来自于O的2p态电子.通过电荷密度和布局分析得知了材料内部原子间的电荷转移情况,进而对原子间成键情况进行了分析与讨论.     

外部压力下β相奥克托金晶体弹性性质变化的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用投影缀加波方法对不同压力条件下β相奥克托金(β-HMX)的弹性常数进行了计算.计算得到零压条件下β-HMX的体弹性模量为12.7 GPa,剪变模量为4.4 GPa,与实验测量结果接近.对β-HMX弹性常数压力响应的分析表明,随着外部压力增加,晶体的体弹性模量和剪变模量逐渐增加.当外部压力达到7 GPa时晶格开始沿剪应变方向出现不稳定性,与拉曼散射实验结果相符.     

Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2电子结构的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法研究了Nb-X(X=Y,Zr)共掺杂SnO_2能带结构与态密度,探讨了其磁性产生的机理.研究结果表明,Nb-Y共掺杂SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带、态密度完全对称,总磁矩为0μB;Nb-Zr共掺杂的SnO_2体系自旋向上和自旋向下的能带与态密度在费米能级处都出现了不对称的情况,出现耦合现象,其总磁矩为0.933μB;分析Nb-Y共掺杂SnO_2的能带结构与态密度得到自旋向上和自旋向下的能带禁带中的4条杂质能级来源于Nb-Y共掺杂SnO_2电子的施主与受主能级;NbZr共掺杂SnO_2体系产生磁性的原因在于Nb和Zr的d轨道的引入.     

高压下Ni3Al热力学性质的第一性原理研究

运用第一性原理方法结合准谐Debye-Grüneisen模型研究了高压下Ni3Al的热力学性质,拟合了Ni3Al的状态方程,计算了不同压强下Ni3Al的弹性模量及吉布斯自由能等热力学性质随温度的变化关系. 计算结果表明：采用七阶Birch-Murnaghan方程拟合的晶格常数与实验测量结果吻合较好;零压下弹性模量、吉布斯自由能、焓、熵、热容和体膨胀系数随温度的变化与实验值符合较好;在特定压强下,Ni3Al的弹性模量和吉布斯自由能随温度升高而减小,焓、熵随温度升高而增加;预测的德拜温度约为500K,与实验值符合较好.