Hf-N体系的晶体结构预测和性质的第一性原理研究

为了寻找具有优异力学性能的新型超高温陶瓷材料, 结合进化算法和第一性原理, 系统研究了Hf-N二元体系所有稳定存在的化合物及其晶体结构. 除了实验已知的岩盐结构的HfN之外, 本文还找到了Hf₆N(R-3), Hf₃N(P6₃22), Hf₃N₂(R-3m), Hf₅N₆(C2/m)和Hf₃N₄(C2/m)五种新结构, 基于准简谐近似原理计算了这些稳定结构的声子谱以验证其动力学稳定性, 常温甚至更高温度下的吉布斯自由能以验证其高温热力学稳定性. 结果表明, 这些结构是动力学稳定的, 且在1500 K以下都是热力学稳定的. 同时, 本文还列出了在搜索过程中出现的空间对称性较高、能量较低的亚稳态结构, 包括Hf₂N(P4₂/mnm), Hf₄N₃(C2/m), Hf₆N₅(C2/m), Hf₄N₅(I4/m), Hf₃N₄(I-43d)和Hf₃N₄(Pnma). 之后计算了上述所有结构的力学性质(弹性常数、体模量、 剪切模量、 杨氏模量、硬度), 随着N 所占比例的增加, 硬度呈现的整体趋势是先增大后下降, 在Hf₅N₆处取得最大值, 为21 GPa. 其中Hf₃N₂和Hf₄N₅也展现出了较高的硬度, 都为19 GPa. 最后, 计算了这些结构的电子态密度和晶体轨道汉密尔顿分布, 从电子结构的角度分析了力学性能的成因. 研究结果显示, 较强的Hf-N共价键和较低的结构空位率是Hf₅N₆具有优异力学性能的主要原因.     

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.     

Ti-Al金属间化合物结构与性质的第一性原理模拟

采用软件CASTEP模拟Ti-Al金属间化合物的晶体结构、力学性质和电子性质.分析在0 K、0 GPa时,Ti-Al存在的四种热力学稳定结构：TiAl₃、TiAl₂、TiAl、Ti₃Al,发现TiAl₃、TiAl₂、TiAl可以看作由Al的面心立方结构衍化而来,而Ti₃Al的结构与Ti相似,为密排六方结构.随着Ti摩尔分数的增加,TiAl₃、TiAl₂、TiAl、Ti₃Al的体模量相当,剪切模量和Vickers硬度逐渐减小;Pugh比k值也逐渐减小,表示韧性逐渐变好.最后对态密度、Mulliken布居分析等进行模拟,发现这四种结构Ti-Al键都具有金属性、共价性及弱的离子性.     

C-15结构(Hf,Zr,Ta)V2和(Hf,Zr,Nb)V2合金超导转变的压力效应研究

本文研究了C-15结构化合物(Zr_0.5Hf_0.5-xTa_x)V₂(x≤0.2)和(Hf_0.5Zr_0.5-xNb_x)V₂(x≤0.2)的超导转变温度T_c及其压力效应?T_c/?P。报道了实验方法与结果。与(Hf_1-xTa_x)V₂和(Zr_1-xTa_x)V₂的情况不同,在(Zr_0.5Hf_0.5-xTa_x)V₂中Ta的引入使常压下的T_c下降,然而(?)T_c/(?)P却大为提高。因此高压下Zr_0.5Hf_0.45Ta_0.05V₂的T_c反而比Hf_0.5Zr_0.5V₂更高。导出了一个基于角动量分波表象能带论方法的描述压力效应的新关系式。它指出导带电子波函数中的高角动量成分变化对T_c的压力效应影响比较重要。这个公式有助于理解上述复杂的实验现象,并能合理地解释某些元素(如Cs,Ba,La等)的T_c随压力剧增的事实。 关键词：     

(Ti1-xNbx)5AlC4(x=0.4, 0.75, 1)固溶体系的第一性原理研究

采用第一性原理计算,通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)研究三元层状化合物(MAX) Ti₅AlC₄中Nb多比例掺杂M位元素.通过计算该固溶体系的声子谱、生成焓和弹性常数,讨论了(Ti_1-xNb_x)₅AlC₄固溶体系的稳定性,得到了三种稳定的结构：(Ti_0.6Nb_0.4)₅AlC₄、(Ti_0.25Nb_0.75)₅AlC₄和Nb₅AlC₄,即(Ti_1-xNb_x)₅AlC₄(x=0.4, 0.75, 1)固溶体系.Bader电荷、局域电荷密度、态密度表明该固溶体系呈现出金属特性,且电导率随着掺杂比例的增大,电荷不断转移,电导率增强.通过计算不同掺...     

Ti$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;B$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;($lt;i$gt;n$lt;/i$gt;=1–10)团簇的结构与稳定性:基于从头算的研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法, 结合从头算的CCSD(T)方法对Ti₂B_n(n=1–10)团簇的稳定性和电子性质进行了研究. 发现两个Ti原子的掺杂导致B_n团簇结构发生了根本性变化. 随着n的增大, Ti₂B_n团簇结构生长非常规律. 所有的最稳定结构都可看成双锥结构, 并且两个Ti原子处在双锥结构的锥顶. 根据二阶差分能量分析, 得出Ti₂B_n(n=1–10)团簇的幻数是6, 7和8. 进一步分析了团簇的Ti原子解离能、B原子解离能以及团簇的电子亲和势和电离势. 这些能量分析表明Ti₂B₆团簇既有良好的热力学稳定性, 又有良好的动力学稳定性. 应用前线轨道理论, 对Ti原子与B₆之间的成键进行了分析, 了解其稳定性的根源. 关键词： 2B_n团簇')" href="#">Ti₂B_n团簇 稳定性 从头计算 电子结构     

金属Sc修饰Ti2CO2吸附气体分子的第一性原理研究

基于第一性原理计算研究了Ti₂CO₂和金属Sc修饰的Ti₂CO₂的几何结构和电子性质,分析了不同有害气体(CO, NH₃, NO, SO₂, CH₄, H₂S)在这两种材料表面的吸附过程,讨论了金属修饰对Ti₂CO₂二维过渡金属碳化物(MXene)电子性能和气体吸附性能的影响.计算结果表明, Sc原子位于空心位C原子上方的结构具有较大的结合能,但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 e V), Sc原子可以有效避免成簇.表面Sc金属为气体吸附提供了活性位点.通过分析不同气体的最佳吸附点位、吸附能等参数,分析金属Sc修饰的Ti₂CO₂对这些气体的吸附效果.其中对SO₂的吸附效果更好,吸附能从–0.314 eV提升到–2.043 eV,其他气体的吸附效果均有改善.通过电荷转移、态密度和功函数等参数解释了其吸附...     

Magnéli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magnéli相亚氧化钛Ti₈O₁₅的电子结构和光学性能. 计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低. 态密度分析表明, 其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p, 3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移, 同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d, 3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级. 态密度分析结果还显示, 相对于TiO₂, Ti₈O₁₅ Fermi能级附近电子格局发生了如下变化: O原子的2p轨道电子贡献减少, Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大. 光吸收计算图谱表明, TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力, 而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区, 从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力, 计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致. 关键词： 第一性原理 8O₁₅')" href="#">Magnéli相亚氧化钛Ti₈O₁₅ 电子结构 光学性能     

新型二维材料Ti3C2Tx MXene制备及其气敏性能研究

随着石墨烯材料的发现,二维材料被人们广泛认识并逐渐应用,相比于传统二维材料,二维过渡金属碳化物(MXene)的力学、磁学和电学性能更加优异.本文分别利用HF溶液和LiF/HCl溶液刻蚀Ti₃AlC₂获得了Ti₃C₂T_x样品,通过电子扫描显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和气敏特性分析,研究了刻蚀剂对Ti₃C₂T_x材料结构和气敏性能的影响.材料结构分析表明:HF和LiF/HCl刻蚀剂均对Ti₃C₂T_x材料具有良好的刻蚀效果;气敏性能结果表明:LiF/HCl刻蚀剂制备的Ti₃C₂T_x的气敏性能优于HF刻蚀剂,并实现了室温下宽范围、较高灵敏和较高稳定地检测NH₃.分析认为:LiF/HCl溶液刻蚀制备的Ti₃C₂T<...     

Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magneli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能.计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低.态密度分析表明,其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p,3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移,同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d,3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级.态密度分析结果还显示,相对于TiO₂,Ti₈O₁₅Fermi能级附近电子格局发生了如下变化:O原子的2p轨道电子贡献减少,Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大.光吸收计算图谱表明,TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力,而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区,从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力,计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.     

Concentration-dependent crystal structure,elastic constants and electronic structure of Zr x Ti1−x alloys under high pressure

The physical properties of ZrxTi1-x（x=0.0, 0.33, 0.5, 0.67, 0.75 and 1.00） alloys were sinmlated by virtual crystal approximation （VCA） methods which is generally used for disordered solid solutions modeling. The elastic constant, electronic structure and thermal Equation of state （EOS） of disor- dered ZrxTi1-x alloys under pressure are investigated by plane-wave pseudo-potentia1 method. Our simulations reveal increasement of variations of the calculated equilibrium volumes and decrease- ment of Bulk modulus as a function of the alloy compositions. Lattice parameters a and c of alloys with differentZr concentrations decrease linearly with pressure increasing, but the c/avalues are increasing as pressure increases, indicating no phase transitions under pressure from 0 GPa to 100 GPa. The elastic constants and the Bulk modulus to the Shear modulus ratios （B/G） indicate good ductility of Zr, Zr0.33 Ti0.67 Zr0.5Ti0.5, Zr0.75Ti0.25 and Ti, but the Zr0.67Ti0.33 alloy is brittle under 0 K and 0 GPa. The metallic behavior of these alloys was also proved by analyzing partial and total DOS.     

高压下Ti_2AlX(X=C,N)的结构、力学性能及热力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了压力对Ti_2AlC与Ti_2AlN结构、力学性能的影响.研究发现压力的增大会使体系的体积比降低,Ti_2AlC压缩性较Ti_2AlN好.力学性能研究发现,压力的增大使材料抵抗变形能力增强,体系的延展性有了很大的提升,当压力超过40 GPa后,Ti_2AlC与Ti_2AlN从脆性材料转变为延性材料,体模量与剪切模量的比值达到1.75,延展性有了很大的提升.通过准谐德拜模型,分析了压力与温度对Ti_2AlC与Ti_2AlN体模量、热容及热膨胀系数的影响.结果表明,随着温度的升高,Ti_2AlN与Ti_2AlC的体模量下降.定容热容与定压热容的变化趋势相同,但在高温下,定容热容遵循Dulong-Petit极限,温度对热容的影响效果较压力明显.温度与压力对Ti_2AlN与Ti_2AlC线膨胀系数的影响主要发生在低温区域.     

A First-Principles Study on the Vibrational and Electronic Properties of Zr-C MXenes

Within the framework of density functional theory calculations,the structural,vibrational,and electronic properties of Zr_(n )C_(n-1)(n=2,3,and 4)and their functionalized MXenes have been investigated.We find that the most stable configurations for Zr-C MXene are the ones that the terminal groups F,O,and OH locate on the common hollow site of the superficial Zr layer and its adjacent C layer.F and OH-terminated Zr_3C_(2 )and Zr_4C_(3 )have small imaginary acoustic phonon branches aroundΓpoint while the others have no negative phonon modes.The pristine MXenes(Zr_2C,Zr_3C_(2 )and Zr_4C_3)are all metallic with large DOS contributed by the Zr atom at the Fermi energy.When functionalized by F,O and OH,new hybridization states appear and the DOS at the Fermi level are reduced.Moreover,we find that their metallic characteristic increases with an increase in n.For(Zr_(n )C_(n-1))O_2,Zr_2CO_(2 )is a semiconductor,Zr_3C_2O_(2 )is a semimetal,and Zr_4C_3O_(2 )becomes a metal.     

Hafnium nitride with thorium phosphide structure: physical properties and an assessment of the Hf-N,Zr-N,and Ti-N phase diagrams at high pressures and temperatures

The physical properties of the new cubic phase of Hf3N4 as well as of isomorphic Zr3N4 and Ti3N4 are studied using first-principles calculations. Hf3N4, Zr3N4, and Ti3N4 are semiconductors with band gaps of 1.8, 1.1, and 0.6 eV, respectively. The band structure is characterized by the simultaneous presence of steep and extremely flat bands. The calculated shear modulus G indicates that the cubic Hf3N4 will be harder than the mononitride HfN. At ambient conditions, the cubic modifications of M3N4 (M=Hf, Zr, Ti) are metastable with respect to orthorhombic M3N4 phases, but the orthorhombic phases of Hf3N4 and Zr3N4 are stable with respect to the mononitrides and nitrogen.     

四元硫化物Cu2Zn(Ti,Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料

采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu₂ZnSnS₄(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu₂ZnSnS_4-xSe_x(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se₂ (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In₂S₃, ZnS作为缓冲层材料和TiO₂作为窗口材料对光伏效率可能的影响.     

Electronic structure and bonding properties for Laves-phase RV2 (R=Ti, Nb, Hf, and Ta) compounds

The electronic structure and bonding properties of Laves-phase compounds RV₂ (R=Ti, Nb, Hf, and Ta) with C15 structure have been investigated using the full-potential linearized augmented plane-wave method. The results show that the chemical bonding is metallic–ionic–covalent in nature in these compounds, and the covalent bonding between V and V atoms strengthens with the atomic number, increasing among the RV₂ (R=Ti, Nb, Hf, and Ta) compounds. The density of states (DOS), equilibrium volume, and elastic properties are discussed, which is important for understanding the physical properties of RV₂ (R=Ti, Nb, Hf, and Ta) and may inspire future experimental research.