高温高压下液态Fe-8.6 wt% Si的声速和密度：富Si地核的证明

在前人的研究基础上,我们建立了新的热力学模型来计算高温高压下液态Fe和Fe-8.6 wt%Si(简称Fe-8.6Si)的状态方程(EOS)和纵波声速(V_P).计算结果与静高压和动高压实验测量的EOS和V_P一致.在外地核环境下,液态Fe-8.6 Si的EOS和V_P同时与外地核的地震波数据一致.如果Si是外地核中唯一的轻元素,其含量不超过7.6～8.6 wt%.     

内地核中C含量的第一性原理研究

基于第一性原理GGA-PBE方法计算了零温下Fe3C的状态方程和声速. 使用半经验方法确定了Fe3C在高压下的晶格和电子格林爱森（grüneison）参数. 将Fe3C的0-K等温线外推至内地核条件,发现需要3.1wt% 碳才能解释内地核的密度亏损问题. 计算出的Fe3C的纵波声速（Vp）高于纯铁,且横波声速（Vs）与纯铁相当,表明碳不是内地核中主要的轻元素.     

内地核中碳含量的第一性原理研究

基于第一性原理GGA-PBE方法计算了零温下Fe3C的状态方程和声速.使用半经验方法确定了 Fe3C在高压下的晶格和电子格林爱森(Grüneison)参数.将Fe3C的0-K等温线外推至内地核条件,发现需要3.1wt％碳才能解释内地核的密度亏损问题.计算出的Fe3C的纵波声速(Vp)高于纯铁,且横波声速(Vs)与纯铁相...     

Si掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO2的电子蛄构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO2及Si掺杂TiO2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究蛄果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定...     

压力作用下Mg_2X(X=Si,Ge)相热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力作用下Mg_2Si和Mg_2Ge的结构、弹性和热力学性质。计算结果表明:0GPa压力作用下两者的晶格参数与实验值以及其他理论值吻合较好,且相对晶格常数a/a_0和晶胞体积V/V_0均随压力的增大而减小;在0~25GPa压力作用下,Mg_2Si和Mg_2Ge相体模量B、剪切模量G、杨氏模量E均随压力的增大而增大,材料的刚度和塑性均增强,当压力达到15GPa时,材料由脆性转变为延性。最后借助准谐德拜模型和Gibbs软件,研究了温度与压力对Mg_2Si和Mg_2Ge的德拜温度、体模量、热容和热膨胀系数的影响。     

Mn掺杂对半金属铁磁体Fe_2Si电磁特性的影响

此文用基于密度泛函理论第一性原理的贋势平面波方法,计算了Fe_2Si及Mn掺杂Fe_2Si体系的能带结构、电子态密度和磁学特性,分析了不同位置Mn掺杂对Fe_2Si电磁特性的影响,获得了纯的和不同位置Mn掺杂的Fe_2Si体系是铁磁体,自旋向上的能带结构穿过费米面表现金属特性,纯Fe_2Si的半金属隙为0.164e V;Mn掺杂在Fe1位时,自旋向下部分转变为A-M间的间接带隙半导体,体系呈现半金属特性,此时磁矩为2.00μB,是真正的半金属性铁磁体;掺杂在Fe2位时,自旋向下部分的带隙值接近于0,体系呈现金属特性;掺杂在Fe3位时,自旋向下部分转变为L-L间的直接带隙半导体,体系呈现半金属特性等有益结果 .自旋电荷密度分布图表明Mn原子的3d电子比较局域,和周围原子成键时3d电子更倾向于形成共价键.体系的半金属性和磁性主要来源于Fe-3d电子与Mn-3d电子之间的d-d交换,Si-3p电子与Fe、Mn-3d电子之间的p-d杂化.这些结果为半金属铁磁体Fe_2Si的电磁调控提供了有效的理论指导.     

高压下FeNiP的压缩性

利用金刚石压腔技术和原位同步辐射X射线衍射技术,对FeNiP(■)的压缩性进行了实验研究。常温下,FeNiP在0～23.4 GPa压力范围内保持■结构不变。用Birch-Murnaghan状态方程对单位晶胞体积随压力的变化关系(p-V关系)进行拟合,得到:体积模量K_0=153(2) GPa,体积模量微商K_0~′=5.7(2),零压下晶胞体积V_0=101.6(1)?~3;或K_0=167(1) GPa,K_0~′=4.0(固定值),V_0=101.5(1)?~3。与Fe_2P相比,FeNiP的体积模量更小,呈现出与Fe_2P相反、与Ni_2P相同的轴向压缩各向异性,据此探讨了Ni对(Fe,Ni)_2P压缩性的影响。应用当前实验结果,估算了FeNiP、Fe_2P、Fe_3P、Fe_(2.15)Ni_(0.85)P和Fe_3S在月球外核温压条件下的密度,通过与γ-Fe及月球外核密度的比较,得出Ni的加入会使"Fe-轻元素"体系的密度更接近月球外核密度,进一步阐释以多元合金体系(如Fe-Ni-S-P)为对象来研究行星核部物质组成更具合理性。     

Finemet合金析出相α-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究Finemet合金中析出相α-Fe(Si)的晶体结构与磁性,探讨影响立方结构α-Fe(Si)相磁性能的各个因素. 从电子自旋角度出发,分别计算分析了不同比例的Si置换α-Fe超晶格中不同位置的Fe原子后α-Fe(Si)体系的磁性能. 计算结果表明,自旋态密度是影响磁性能的关键因素. 发现Si置换α-Fe超晶格顶角处Fe原子得到的体系比取代体心位置Fe原子的体系磁性要好. 由此可以得出结论,在一定的含量范围内,随着Si含量的增加,Si出现在α-Fe超晶格中顶角位置的概率增大,α-Fe(Si)相的软磁性能提高,与实验结果相符. 本文的研究工作有助于理解Finemet合金的磁性机理. 关键词： Finemet合金 磁性能 第一性原理 态密度     

高压下Fe3C的磁性和声速性质

采用基于密度泛函理论的包含自旋极化效应的广义梯度近似方法研究了Fe₃C的高压弹性和声学性质. Fe₃C在压力作用下由铁磁基态转变到非磁性的高压态,相变压力约为73 GPa. 计算了Fe₃C 的Hugoniot线,并根据沿Hugoniot线的弹性常数计算了铁磁状态和非磁性状态的声速. 对比Fe单质,非磁性Fe₃C 的压缩波和剪切波声速与地核的地震波数据更为接近,证实了C元素是构成地核的一种成分.     

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。     

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.     

LaFe11.5Si1.5中的磁不稳定性

通过对LaFe11.5Si1.5化合物进行自旋极化和固定磁矩(FSM)的能带计算,发现LaFe11.5Si1.5化合物具有磁不稳定性的特征,无磁态和铁磁态的能量差别很小,FSM计算表明LaFe11.5Si1.5化合物具有低自旋态和高自旋态的双磁性态特征,在一定条件下能够在两磁性态之间发生变磁转变.通过计算的结果,定性地分析了实验上所观察的一些现象.     

Half-Heusler合金NiFeSb和NiMnSb的磁性及电子结构的第一性原理研究

用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了half-Heusler合金NiFeSb和NiMnSb的晶体结构、磁性及电子结构。计算结果表明,磁性原子Fe和Mn在两种合金的总磁矩中贡献最大,在NiFeSb总磁矩中,Ni原子贡献比例接近在NiMnSb中的2倍,而Sb原子的贡献比例是在NiMnSb中的1/5;两种合金的自旋向上能带都具有明显的金属特征,而自旋向下能带有明显的差别;两种合金费米能级以下的总态密度(DOS)主要由Ni-3d 和Fe-3d（Mn-3d）态决定,费米能级以上主要由Fe-3d（Mn-3d）自旋向下部分决定。     

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     

嵌入La和Gd原子的Si24笼团簇的稳定性

用梯度修正自旋极化密度泛函(DFT)电子结构计算,研究了具有Th和D2d对称性包裹La和Gd原子的Si24富勒烯的稳定性.结果表明Gd@Si24具有很高的磁性而La@Si24的磁性完全猝灭.这些结果有可能导致Si基富勒烯团簇新的结构类型.     

阻挫诱导的亚铁磁性Heisenberg系统中的量子相变

利用密度矩阵重整化群(DMRG)方法研究磁性阻挫对一种S=1/2准一维反铁磁自旋链但却具有亚铁磁性的Heisenberg系统基态的影响.计算了单个晶胞的基态能、自旋关联函数以及自旋能隙.研究表明这种Heisenberg自旋系统的基态随着阻挫α的增强将从磁有序相变化到自旋无序相,并且伴随着自旋能隙的出现,量子相变点为α≈0.412.同时线形链上格点间自旋长程关联值的计算结果表明在磁有序区间体系的磁有序性质随着α的增强而减弱,阻挫在0≤α< 关键词： 准一维反铁磁自旋链 亚铁磁性 密度矩阵重整化群 自旋能隙     

Mg2Si:Fe 电子结构及磁性的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了Mg_2Si:Fe体系的电子能带结构、态密度和磁性.结果表明:掺入的Fe原子优先占据晶格中的空隙位,也可能代替晶格中的Mg位.从能带结构和态密度可以看出,当Fe原子位于晶格中空隙位时,系统显示出金属性;当Fe占据Mg位置时,对于自旋向上电子态,体系有一带隙存在,系统呈现明显的半导体特性;对于自旋向下电子态,Fe的替位掺杂在该体系内引入新的杂质能级,杂质能级与导带价带分离,且100%自旋极化.两种位置的杂质,上自旋电子和下自旋电子的态密度均明显不对称,诱导出铁磁性,且铁磁性主要由于Fe的3d态电子诱导产生.Fe位于空隙位时,Fe原子的磁矩为1.69μB;Fe占据Mg位时,Fe原子的磁矩为1.38μB,说明原子磁矩与其所占位置和配位情况有关.     

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.     

高压下新型双“A”层MAX相V_2Ga_2C的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理,研究了压强对双"A"层MAX相V_2Ga_2C晶体结构、弹性和电子性质的影响,并利用玻恩稳定准则预测了V_2Ga_2C力学稳定状态下的压强范围。计算结果表明:在0～70GPa下,V_2Ga_2C的晶体结构处于力学稳定状态;随着压强的增大,V_2Ga_2C的晶格常数和体积均有不同程度的缩小,a轴随压强的增大收缩得最快,晶胞体积收缩了24%左右;随着压强的增加,V_2Ga_2C材料的维氏硬度从0 GPa压强下的18.23 GPa减小为70 GPa压强下的2.30 GPa,在20.15 GPa时从脆性材料转变为韧性材料;V_2Ga_2C的态密度和能带结构等电子性质随压强的变化较小,即压强对V_2Ga_2C的电子性质影响不大。     

高压下Fe_(92.5)O_(2.2)S_(5.3)的熔化温度

采用反向碰撞法与光分析技术,测量了Fe_(92.5)O_(2.2)S_(5.3)(质量分数比)在208GPa下的声速,发现固态Fe_(92.5)O_(2.2)S_(5.3)的纵波声速在144GPa下开始减小,直到165GPa完全转变为液态体波声速,表明样品的完全熔化温度为(3 500±400)K。将该熔化温度作为参考点,应用Lindeman定律并外推至地球内外核边界可知,Fe_(92.5)O_(2.2)S_(5.3)的熔化温度为(5 000±400)K。通过比较Fe、Fe-O、Fe-S以及Fe-O-S的熔化温度,发现O元素对Fe熔化温度的影响很小,S元素对Fe熔化温度的降低与其含量成正比。如果外地核中S的质量分数为2%~6%,则地球内外核界面温度为5 000~5 400K。