W-In体系溶质晶界偏聚行为的第一性原理计算

基于第一性原理构建了钨基合金体系的溶质偏聚模型,以W-In体系为例研究了不同浓度下溶质的晶界偏聚行为和成键特征,从电子结构层面揭示了W-In体系的键合作用,预测了W-In体系界面稳定性随溶质浓度的变化规律.结合键布居、电荷密度、差分电荷密度和态密度等电子结构分析,发现了W-In体系中溶质原子在偏聚过程中的键性转变特征,阐明了W-In键由晶粒内部的离子键过渡为晶界区域强共价键的微观机理.模型计算首次得到了W-In体系中溶质本征偏聚能随In浓度的非单调变化规律,结合键合作用和能量分析揭示了溶质浓度对本征偏聚能的影响机制.计算预测了W-In体系达到高热稳定性所需的最佳溶质浓度范围和应避开的溶质浓度范围.本研究为具有高温稳定性的钨基合金材料的设计与制备提供了理论基础和定量化指导.     

Ce-La-Th合金高压相变的第一性原理计算

采用第一性原理计算对Ce_(0.8)La_(0.1)Th_(0.1)在高压下fcc-bct的结构相变、弹性性质及热力学性质进行了研究讨论.通过对计算结果的分析,发现了合金在压力下的相变规律,压强升高到31.6 GPa附近时fcc相开始向bct相转变,到34.9 GPa时bct相趋于稳定.对弹性模量的计算结果从另一角度反映了结构相变的信息.最后,利用准谐德拜模型对两种结构的高温高压热力学性质进行了理论预测.     

基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件ABACUS

随着超级计算机硬件和数值算法迅速发展, 使得目前利用密度泛函理论研究上千个原子体系的电子能带和结构等性质变得可行. 数值原子轨道基组由于其基组较小和局域等特性, 可以很好地与电子结构计算中的线性标度算法等的新算法结合, 用来研究较大尺寸的物理体系. 本文详细介绍了一款中国科学技术大学量子信息重点 实验室自主开发的基于数值原子轨道基组的第一性原理计算软件 Atomic-orbital Based Ab-initio Computation at UStc. 大量的测试结果表明: 该软件具有很好的准确性和较高的并行效率, 可以用于包含1000个原子左右的系统的电子结构和原子结构的研究以及分子动力学模拟计算.     

高压下CaF_2结构相变和光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方法,计算了在压力作用下CaF2的结构相变和光学性质。结果证实了CaF2的压致结构转变的顺序是从氟石结构(空间群Fm3m)转变到PbCl2型结构(空间群Pnma),然后继续转变为Ni2In型结构(空间群P63/mmc)。在Fm3m和Pnma两种结构中,电子带隙随着压力的增加而增加,而在P63/mmc结构中,带隙随着压力的增加开始下降。实验结果显示,直到210 GPa,CaF2没有发生由绝缘体到金属的转变。据此推测,CaF2的金属化压力高于300 GPa。还讨论了压力对CaF2光学性质的影响。     

先兆型铁电体CaTiO3的第一性原理研究

在广义梯度近似 (GGA)下利用全电势线性化的缀加平面波法 (FPLAPW )计算了钛酸钙 (CaTiO3 )的电子结构 .将实验测得的晶胞体积记为V0 ,计算中所用的晶胞体积记为V .当V/V0 =1.0时 ,Ti离子位移为零相应于总能量低能态 ,钛酸钙不会发生铁电相变 .但如果其体积膨胀 10 % ,则Ti离子的位移将导致能量极小值 .这意味着在立方钛酸钙中有发生铁电相变的趋势 ,表明在钛酸钙中存在着体积诱发的铁电相变 ,即钛酸钙为先兆型铁电体 .态密度在V/V0 =1.1时 ,Tid电子和O(2 ) p电子之间存在强烈的轨道杂化 ,这种杂化是出现铁电性的必要条件 .电场梯度的结果也表明了这一点 .     

LiF中空位形成能的第一性原理计算

采用平面波展开和基于密度泛函理论框架下的第一性原理赝势法,计算了102GPa下LiF化合物中Li空位和F空位的形成能及空间周围的原子弛豫,讨论了空位形成时电荷密度的重新分布,相应的电子态密度以及能带结构等性质.结果表明:LiF晶体中F空位的形成能比大于Li空位的形成能;F空位对LiF晶体的电子结构等性质的影响要比Li空位的大.     

LiF中空位形成能的第一性原理计算

采用平面波展开和基于密度泛函理论框架下的第一性原理赝势法,计算了102GPa下LiF化合物中Li空位和F空位的形成能及空间周围的原子弛豫,讨论了空位形成时电荷密度的重新分布,相应的电子态密度以及能带结构等性质.结果表明:LiF晶体中F空位的形成能比大于Li空位的形成能;F空位对LiF晶体的电子结构等性质的影响要比Li空位的大.     

Sr偏析Al晶界结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理赝势方法,计算了纯Al晶界和杂质Sr偏析Al晶界的原子结构和电子结构.结果表明Sr偏析引起了晶界膨胀和晶界处电子密度的大幅度降低,从而导致晶界结合力的减弱.这应为Sr杂质偏析引起的Al晶界脆化的主要根源所在. 关键词： Al晶界 Sr 杂质偏析 第一性原理计算     

高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质的第一性原理计算

 利用基于密度泛函的第一性原理,计算了高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质。计算结果表明：在压力作用下,TiN经历了从NaCl型结构到CsCl型结构的转变,转变压力为348 GPa;TiN的弹性系数随着压力的增加呈线性增加规律。此外,还给出了德拜温度和热容量这两个重要热力学量与温度和（或）压力的依赖关系。     

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。     

碳纳米锥吸附Na的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算结合从头算分子动力学的方法,研究了碳纳米锥(CNC)、B和N掺杂碳纳米锥(B-CNC和N-CNC)的稳定性,结果表明CNC、B-CNC和N-CNC均可以稳定存在.在此基础上分别研究了Na原子在CNC、B-CNC和N-CNC上的吸附行为.结果表明：1) Na原子在CNC五元碳环中心顶部位置的吸附最强,吸附能为-2.52 eV. CNC的能隙(Eg)为1.96 eV. 2) B和N掺杂CNC后,B-CNC和N-CNC的导电性均显著增强. 3)与CNC相比,Na原子在B-CNC上的吸附增强,而在N-CNC上的吸附则显著减弱.这表明B-CNC有望作为Na离子电池的负极材料.本文的研究结果对以CNC为负极材料的Na离子电池的研究提供了理论指导.     

原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究

随着信息技术的不断进步,核心元器件朝着运行速度更快、能耗更低、尺寸更小的方向快速发展.尺寸不断减小导致的量子尺寸效应使得材料和器件呈现出许多与传统三维体系不同的新奇物性.从原子结构出发,预测低维材料物性、精准合成、表征、调控并制造性能良好的电子器件,对未来电子器件的发展及相关应用具有至关重要的意义.理论计算能在保持原子级准确度的情况下高效、低耗地预测材料结构、物性、界面效应等,是原子制造技术中不可或缺的重要研究手段.本综述从第一性原理计算角度出发,回顾了近年来其在二维材料结构探索、物性研究和异质结构造等方面的应用及取得的重要进展,并展望了在原子尺度制造背景下二维材料的发展前景.     

Fe在高压下第一性原理计算的芯态与价态划分

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法的第一性原理计算，对过渡金属Fe元素进行自旋极化的总能量计算，能量计算精度取为平均每个原子0.01 eV.通过分析分波能带展宽与能带电子对总能量的贡献，讨论了在不同压强范围下第一性原理计算时Fe原子芯态与价态的合理划分.结果显示，当压强增加到约140 GPa时，3p电子对总能的贡献将不能忽略，而在地心压强下，3 s电子的贡献可以忽略. 关键词： 第一性原理计算 高压 芯态与价态     

Hartree-Fock基矢下第一性原理的多体微扰理论计算

从现实核力出发（手征有效场论N3LO）,应用多体微扰理论对一些双幻核进行计算。借助相似重整化群理论对手征有效场论核力进行"软化"处理。在Hartree-Fock基矢下对有效哈密顿量进行多体微扰理论计算,对能量的修正计算到第三阶,对波函数微扰修正到第二阶。利用反对称化的Goldstone图对波函数进行展开,进而对单体密度进行修正,从单体密度出发对原子核半径进行计算。与实验数据进行对比,给出了很好的计算结果。Starting from chiral N3LO, we have applied many-body perturbation theory (MBPT) to the structure of spherical, doubly closed-shell nuclei. The two-body N3LO interaction is softened by a similarity renormalization group transformation. The MBPT calculations are performed within the Hartree-Fock (HF) bases. Higher-order corrections in the HF basis are small relative to the leading-order perturbative result. Corrections up to the third order in energy and up to the second order in wave function are evaluated. Using the anti-symmetrized Goldstone diagram expansions of the wave function, we directly correct the one-body density for the calculation of the radius. Our results are in very good agreement with experimental data.     

多铁性材料的第一性原理模型哈密顿量研究

由于在某些多铁性材料中存在着自旋、轨道和晶格等多种自由度的强耦合,它们会表现出丰富而有趣的相图与物理性质。但目前第一性原理方法还不能直接用来研究这些材料在有限温度下的物理性质。而基于第一性原理的有效哈密顿量方法却可突破这一限制。文章通过介绍几项研究工作,包括磁致铁电体RMn2O5和CuO的相图,以及RMn2O5中的电磁子,来说明这个方法在多铁性材料研究中的应用。     

多铁性材料的第一性原理模型哈密顿量研究

由于在某些多铁性材料中存在着自旋、轨道和晶格等多种自由度的强耦合,它们会表现出丰富而有趣的相图与物理性质。但目前第一性原理方法还不能直接用来研究这些材料在有限温度下的物理性质。而基于第一性原理的有效哈密顿量方法却可突破这一限制。文章通过介绍几项研究工作,包括磁致铁电体RMn₂O₅和CuO的相图,以及RMn₂O₅中的电磁子,来说明这个方法在多铁性材料研究中的应用。     

W-Cu合金力学性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理分析方法的CASTEP软件,计算了W-Cu_x(x=6.25,12.5,18.75,25,31.25,37.5,43.75,50)合金的晶格参数、体模量、剪切模量、杨氏模量等力学常数,还计算了焓变值、能带结构、电子态密度和电荷布局,研究Cu不同含量对W-Cu合金力学性能的影响.结果表明：Cu的添加会增加W基体触头材料的可塑性,韧性大小随着Cu含量的升高而增加,在掺杂比例为43.75%时达到最大值,韧性增加使得产生微裂纹的概率减小;另外还计算了W-Cu合金的态密度、能带结构和电荷布局,结果表明随着Cu含量的增加,共价性降低,金属性增强,便于加工成型.     

五角石墨烯吸附H2S的第一性原理计算

硫化氢作为一种神经毒物和腐蚀性气体污染物,严重威胁人体健康并限制工业的发展.本文采用第一性原理计算的方法,研究了H₂S气体分子在原始五角石墨烯、非金属掺杂及金属掺杂五角石墨烯上的吸附行为.详细计算了H₂S气体分子与五角石墨烯之间的吸附构型、吸附能及电荷转移.结果表明:1)原始五角石墨烯和非金属元素掺杂五角石墨烯与H₂S气体分子间仅为微弱的物理吸附,无法直接用于吸附H₂S气体;2) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯对H₂S气体的吸附作用显著增强.当金属掺杂在sp~2C位置时,掺杂五角石墨烯对H₂S气体的吸附效果较好,此时的吸附均为化学吸附;3) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯均可作为H₂S气体的传感/捕获材料.其中Cu掺杂五角石墨烯吸附H₂S气体的效果最好.本文的研究结果对设计开发基于五角石墨烯的H₂S气体传感/捕获材料提供了理论指导.     

镧系氮化物压致结构相变的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,得到了常压下镧系氮化物的晶格常数,以及在压力作用下镧系氮化物从NaCl型结构(B1)到CsCl型结构(B2)转变的压力。并把考虑电子自旋极化与不考虑电子自旋极化作用的计算结果进行了对比,分析了4f电子对镧系氮化物这些强关联体系的压致结构转变压力的影响。结果显示:5个镧系元素的氮化物(GdN、TbN、DyN、HoN和ErN)从B1相到B2相转变的压力与电子自旋极化作用关系很大,而其它镧系氮化物的相变压力与电子自旋极化作用的关系很小。     

高温高压下合金碳化物Fe3Mo3C热力学性质的第一性原理计算

基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理与准谐德拜模型结合的方法研究了高温高压下合金碳化物Fe₃Mo₃C的热力学性质.在压强范围为0～40 GPa和温度范围为0～1200 K的条件下,Fe₃Mo₃C的体积比V/V₀、体弹性模量B和德拜温度θ受压强的影响比温度更大.温度一定时,体弹性模量和德拜温度随压强的增大而迅速增大. Fe₃Mo₃C的热容C_v、熵S以及热膨胀系数α受温度的影响较压强更大.压强一定时,材料的热容、熵以及热膨胀系数均随温度升高单调增大,其中,热容和热膨胀系数随温度先快速上升后趋于平缓,最后热容接近于Dulong-Petit极限.