第一性原理计算M2C（M=V、Nb、Ta）的结构性质、弹性性质和热力学性质

通过密度泛函理论的第一原理计算,研究了 M2C (M=V, Nb, Ta)(空间群:pbcn, No: 60)在高压下的电子结构、弹性和热力学性质。该理论是建立在平面波的基础上,该平面波将在 CASTEP 代码中实现。首先,本文计算的晶格常数与已有的实验结果和理论数据吻合较好。其次,计算了过渡金属碳化物的分波态态密度和总态密度,结果表明这三种过渡金属碳化物均为金属,金属丰度由高到低的顺序为:V2C > Nb2C > Ta2C。第三,研究了高压下的弹性常数 C ij 、集料弹性模量(B、G、E)和泊松比。其中计算得到 Ta2C 的体积模量最高(257 GPa)。根据弹性稳定性判据,预测这三种化合物在 100 GPa 以内均具有力学稳定性。计算的 B/G 比值表明,这三种化合物在 100 GPa 范围内具有延展性。最后,利用准谐德拜模型研究了这三种化合物的热力学性质     

三元Nb系和Ta系硼碳化物稳定性和物理性能的第一性原理研究

过渡金属轻元素化合物是高硬度材料的潜在候选.以往研究多集中在二元过渡金属硼化物、碳化物和氮化物,三元相的研究则相对较少.本文通过提炼和堆垛已知相Nb_3B_3C (Ta_3B_3C)和Nb_4B_3C_2 (Ta_4B_3C_2)的结构基元,构建不同组分的Nb-B-C和Ta-B-C三元相结构模型,采用第一性原理计算方法,计算所建结构的形成焓、声子谱和弹性常数,通过判断其热力学、动力学和力学稳定性,绘出了三元Nb-B-C和Ta-B-C相图,成功预测了5种Nb-B-C和6种Ta-B-C三元稳定相.力学和电学性能计算结果显示Nb-B-C和Ta-B-C三元稳定相均为高硬度导电材料,硬度大约为25 GPa.     

过渡金属硼碳化物TM_3B_3C和TM_4B_3C_2稳定性和性能的理论计算

在过渡金属轻元素化合物中,寻找新的硬质或者超硬材料是当前的一个研究热点.目前寻找范围多集中在过渡金属硼化物、碳化物和氮化物等二元体系,三元相的研究则相对较少.本文以已知Nb_3B_3C和Nb_4B_3C_2结构为模板,采用元素替代法构建了29种TM_3B_3C (TM为过渡金属元素)结构和29种TM_4B_3C_2结构,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,成功找到了热力学、动力学以及力学都稳定的Ta_3B_3C和Ta4B_3C2两种新相.结构搜索计算确认了这两相为全局能量最优结构.能带结构和态密度的计算显示这两相均为导体,导电性主要源于Ta原子的d电子.这两种新相的硬度大约为26 GPa,说明Ta_3B_3C和Ta_4B_3C_2属于高硬度材料,但不是超硬材料.     

铟钇金属间化合物力学性能的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对铟钇(In-Y)金属间化合物的力学结构稳定性、弹性性质和热力学性能进行了研究.通过结构优化得到了In_3Y、InY、InY_2三种金属间化合物的晶格常数,发现与实验值比较吻合.弹性常数的计算结果表明In-Y金属间化合物的结构是稳定的,由弹性常数推算出In_3Y、InY、InY_2三种合金的体积模量、杨氏模量、剪切模量、泊松比和各向异性等力学性质,发现InY_2合金的体积模量、杨氏模量、剪切模量要比其它两种的值大,其抗形变能力更强.本文还预测了In-Y金属间化合物的热力学性质,如德拜温度、热导率,通过第一性原理计算得到的In-Y金属间化合物的力学和热力学性质为In-Y合金材料的实际应用和材料设计提供了参考.     

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     

Al的微观组态与LaNi3.75Al1.25的结构和弹性第一性原理研究

在全电子水平上,采用广义梯度近似密度泛函理论和全势能线性缀加平面波方法并结合二维立方拟合方法,对LaNi3.75Al1.25合金的晶体结构与弹性性质进行了理论研究.计算结果给出合金的晶格常数a=b=0.5137 nm,c=0.4018 nm,Al原子在晶胞中的微观分布为同时占据部分3g和2c等价格位,弹性常数C11+C12=281.2,C13=82.3,C33=227.3,以及体弹性模量B＝124.5、切变模量G＝68.2 GPa.还对态密度、能带结构和电荷密度进行了计算分析,并给出材料LaNi3.75Al1.25的电子线性比热系数23.45 mJ/molK2.     

过渡金属锇在高压下的力学特性

 基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究了过渡金属锇在高压下的状态方程、弹性常数和其它力学性质。 计算结果表明：过渡金属锇具有很高的体积模量B₀（423.9 GPa）和弹性常数C₁₁（771.3 GPa）与C₃₃（852.0 GPa）,与金刚石的（B₀=452.8 GPa,C₁₁=C₃₃=1 082.9 GPa）比较,具有超低压缩特性;表征材料抵抗剪切变形能力的弹性常数C₄₄（269.8 GPa）和切变模量（276.8 GPa）只有金刚石的（C₄₄=586.9 GPa,G=537.5 GPa）一半,而所成的又是纯金属键,因此锇不具有超硬性。最后,定性分析了它的高体积模量和低硬度的微观电子机制,这对于设计与合成新的超硬性材料具有启发意义。     

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.     

过渡金属化合物OsB2与OsO2低压缩性的第一性原理计算研究

利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算, 研究了过渡金属化合物OsB₂和OsO₂的金红石相、黄铁矿相与萤石相三种结构在高压下的状态方程和结构特性以及OsO₂可能的高压相变.理论计算结果支持OsB₂与OsO₂的萤石相是潜在超低可压缩性的硬性材料.同时，也分析了它们的电子结构，力求理解大体变模量和高硬度的微观机制.结果表明，可以利用过渡金属高的价电子浓度，掺入硼、氧、碳、氮等轻的元素形成强的 关键词： 过渡金属化合物 密度泛函理论 低压缩性 高压     

BC5力学性质的第一性原理计算

采用平面波赝势密度泛函理论方法对0—60 GPa静水压下BC₅ 六角晶系P3m1和四方晶系I4m2结构的平衡态晶格常数、弹性常数、各向异性以及泊松比与Cauchy扰动进行了研究. 研究结果表明, BC₅的两种结构在高压下是稳定的, 且不可压缩性随着压强的增加而增大. 另外, 对其电子结构也进行了计算, 计算结果表明, BC₅存在一个较宽的带隙, 两种原子间有较强的共价杂化, 材料的性质主要由B的2p¹和C的2p²态电子共同决定. 压强对材料带隙和费米能级附近的态密度几乎没有影响, 只引起微小的漂移, 可推断其很好的高压稳定性.     

5d过渡金属二硼化物的结构和热、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系统地研究了5d过渡金属二硼化物TMB₂ (TM=Hf–Au) 的结构、热学、力学和电学性质. 我们考虑了三种结构, 分别为AlB₂, ReB₂和WB₂结构. 计算得到的晶格常数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算生成焓预测了化合物的热力学稳定性; 从HfB₂到AuB₂, 生成焓的整体趋势是逐渐增加的. 在所考虑的结构中, 对HfB₂和TaB₂, AlB₂结构是最稳定的; 对WB₂, ReB₂, OsB₂, IrB₂和AuB₂, ReB₂结构是最稳定的; 对PtB₂, WB₂结构是最稳定的. 在所考虑的化合物中, ReB₂结构的ReB₂具有最大的剪切模量(295 GPa), 是最硬的化合物, 与先前的理论和实验结果相符. 计算得到的总态密度显示所有结构都具有金属特性. 讨论了系列化合物的变化趋势. 关键词： 弹性性质 热力学性质 第一性原理 5d过渡金属二硼化物     

β型烧绿石结构氧化物超导体AOs2O6(A=K,Rb,Cs)电子能带结构的第一性原理计算

用全势线性缀加平面波方法计算β型烧绿石结构氧化物超导体AOs2O6(A=K,Rb,Cs)的电子能带结构及态密度.计算发现电子自旋轨道耦合和在位库仑势U的作用增大了费米面处态密度值.通过计算还得到这三种化合物电子关联常数λc分别为1.55,1.12和0.73.由实验测量与能带计算得到的电子比热容系数的比值得到电子质量提高参数.通过分析这三种化合物电子质量提高参数,推算出它们的电声子耦合常数λep分别为1.56,0.78和1.08.由此提出KOs2O6为强电子关联和强电声子耦合系统,而RbOs2O6和CsOs2O6的电子关联性与电声子耦合为中等.     

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     

第一原理研究铝锂金属间化合物

运用密度泛函理论系统地研究了二元铝锂金属间化合物Al₃Li、AlLi、Al₂Li₃和Al₄Li₉的结构、形成热、弹性和电子结构.通过计算四种金属间化合物的形成热,证明了金属间化合物中铝和锂之间具有强烈的化学作用. 在富锂金属间化合物中,随着锂的含量的增加,金属间化合物热力学稳定性呈线性减弱. 计算金属间化合物的单晶弹性常数可以得出四种金属间化合物都是机械稳定的. 运用Voigt-Reuss-Hil     

IrB和IrB_2力学性质的第一性原理计算

采用平面波赝势密度泛函理论对0—100 GPa静水压下P1-IrB(空间群Pnma)和P5-IrB2(空间群Pmmn)结构的平衡态晶格常数、弹性常数等性质进行了研究.研究结果表明,P1-IrB不可压缩性随着压强的增加而增强;P5-IrB2结构在0—100 GPa范围内弹性常数、体弹模量、剪切模量均呈现出有规律的变化,当所加压强为50 GPa时,杨氏模量和在b方向的晶格常数发生异常变化.对零压下P1-IrB和P5-IrB2的电子结构的研究发现,二者均没有一个明显的带隙,主要原因为Ir原子和B原子间的共价作用.从P1-IrB和P5-IrB2的能带结构和态密度图可以发现这两种结构均有金属性.     

第一性原理研究Mg2 Si同质异相体的结构、电子结构和弹性性质

在第一性原理框架下,采用赝势平面波方法研究了三种Mg₂Si同质异相体的晶胞结构、电子结构和弹性性质随压强的变化关系.研究发现,反萤石结构Mg₂Si、反氯铅矿结构Mg₂Si和Ni₂In型Mg₂Si分别在压强为0-7 GPa,7.5-20.2 GPa和21.9-40 GPa范围内能够保持结构稳定.计算获得了不同压强下Mg₂Si的弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比和各向异 关键词： 态密度 电子结构 弹性常数 第一性原理     

过渡金属化合物OsB2与OsO2低压缩性的第一性原理计算研究

利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究了过渡金属化合物OsB2和OsO2的金红石相、黄铁矿相与萤石相三种结构在高压下的状态方程和结构特性以及OsO2可能的高压相变.理论计算结果支持OsB2与OsO2的萤石相是潜在超低可压缩性的硬性材料.同时,也分析了它们的电子结构,力求理解大体变模量和高硬度的微观机制.结果表明,可以利用过渡金属高的价电子浓度,掺入硼、氧、碳、氮等轻的元素形成强的方向键,这可能提供了一种合成超硬材料的新途径.     

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf₃C₂, Hf₆C₅, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物——Hf₂C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物——HfC₂, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf₃C₂和Hf₆C₅是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf₂C和HfC₂变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3m→C2/m→Pnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf₂C 和HfC₂ 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.     

氢化铒高温高压下的弹性及热力学性质

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论, 并结合准谐德拜模型, 计算了立方萤石结构ErH2在不同温度和压强下的体积、热膨胀系数、体弹模量和等体热容等弹性性质及热力学性质。在温度高于1 100 K的条件下,计算出的等体热容趋近于Dulong-Petit极限。得到了绝对零度、零压强下ErH2的该结构的晶格常数为0.523 2 nm,与实验值0.523 0 nm非常接近。由不同的原胞体积得出了该体系的单点能与原胞体积的关系的数据;从计算出的高压下的弹性常数,根据立方晶系的力学稳定性条件,推断出立方萤石结构ErH2的相变压力约为20 GPa。     

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.