α和β-Si3N4的电子、光学及热力学性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的晶体结构、电子结构、光学性质和声子谱,并对结果进行了理论分析.计算结果表明两种相都含有较强的共价键,均为绝缘体,且α-Si₃N₄的禁带宽度略大于β-Si₃N₄.计算获得的光学吸收系数表明α-Si₃N₄和β-Si₃N₄主要吸收紫外光,并二者的能量损失峰在24.4 eV附近.α-Si₃N₄和β-Si₃N₄的声子谱中均无虚频,表明二者的结构是稳定的.在0～1000 K范围内,α-Si₃N₄的热容约为β-Si₃N₄的两倍.本文的计算结果可以为Si₃N₄     

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.     

高压下Ni_3Al热力学性质的第一性原理研究北大核心CSCD

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.     

MAX相Nb2SnC和Nb2SnN的力学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,在广义梯度近似下研究了MAX相Nb₂SnC和Nb₂SnN的力学、晶格动力学、电子以及热力学性质.通过弹性常数和声子的计算,研究了Nb₂SnC和Nb₂SnN两种结构的力学稳定性和动力学稳定性;通过对Nb₂SnC和Nb₂SnN的力学性质计算,证明了它们均具有较高的体积模量和剪切性,并且说明了Nb₂SnC和Nb₂SnN是具有弹性各向异性的韧性材料.此外,通过计算电子能带结构和态密度,研究了Nb₂SnC和Nb₂SnN的电子性质和成键性质,结果表明,两个化合物均具有金属导电性和较强的共价键,而且Nb₂SnN比Nb₂SnC具有更强的金属导电性.最后利用声子色散曲线预测了热容、自由能、焓和熵等热力学性质,结果标明,计算出的熵、焓和自由能值变化符合热力学第三定律.     

Si掺杂Al2O3电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理对纯Al2O3和Si掺杂的Si 0.167Al0.833O1.5, Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系的能带结构、态密度进行了计算分析. 结果发现：随着Si在Al2O3晶体中所占比例的增加,体系能隙变小,在Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系中能隙已降到2.5eV,表明该体系为半导体材料;而在掺杂的体系中有数条分散的能带穿过了费米能级,即可以预测该掺杂体系有特别的光电性质;同时对比纯Al2O3和Si掺杂的Si 0.167Al0.833O1.5, Si 0.25Al0.75O1.5晶体体系的总态密度,发现掺杂体系的价带和导带向低能区域移动.     

金属铅电子结构和声子谱的第一性原理计算

采用LDA的平面波赝势和密度泛函微扰理论(DFPT)方法计算了铅的晶体结构,电子能带,声子能量,并与实验数据进行了详细的比对.通过对电子结构的分析,发现铅没有宏观磁矩表现,电子能带在费米面处存在相交,说明铅具有强的金属性.发现在高对称q点附近,声子结构的计算与实验数据符合很好,而在对称性较低的X点附近,计算结果偏大于实验数据,导致了声子态密度计算结果"频移"现象的发生.结果表明,采用LDA的平面波赝势方法和DFPT方法计算铅的电子结构和声子能量切实可行,计算结果可靠.     

金属铜的晶格结构与热力学性质的第一性原理计算

基于第一性原理,利用密度泛函理论(DFT)和密度泛函的微扰理论(DFPT),以及广义梯度近似(GGA),研究了过渡金属Cu的晶体结构、能量、电子能带和态密度、声子的能带结构和态密度,以及其在298.15K下的热容,体积模量,格林艾森参数和体胀系数等热力学函数并与实验值作了对比.通过分析Cu的晶格几何与能量之间的关系,讨论了金属Cu的固-液相变与晶格声子振动能量之间可能的内在联系,首次提出直接得到Cu熔化温度Tm的静力学方法,研究了熔化温度与压强的关系.计算结果与实验值符合较好,明显优于分子动力学模拟的结果.     

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.     

GaN结构相变、电子结构和光学性质

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法,对纤锌矿结构和氯化钠结构GaN的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究,分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机制.通过状态方程和焓相等原理得到GaN从纤锌矿到氯化钠结构的相变压强分别为43.9 Gpa和46.0 Gpa;在相变的过程中,GaN由典型的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体材料;氯化钠结构GaN相比于纤锌矿结构,介电函数主峰值增强,本征吸收边明显往高能方向移动,氯化钠结构GaN在低能区域的光学性质差于纤锌矿结构.     

Prediction of Pressure-Induced Structural Transition and Mechanical Properties of Mg Y from First-Principles Calculations

Using the particle swarm optimization algorithm on crystal structure prediction,we first predict that Mg Y alloy undergoes a first-order phase transition from Cs Cl phase to P4/NMM phase at about 55 GPa with a small volume collapse of 2.63%.The dynamical stability of P4/NMM phase at 55 GPa is evaluated by the phonon spectrum calculation and the electronic structure is discussed.The elastic constants are calculated,after which the bulk moduli,shear moduli,Young's modui,and Debye temperature are derived.The brittleness/ductile behavior,and anisotropy of two phases under pressure are discussed in details.Our results show that external pressure can change the brittle behavior to ductile at10 GPa for Cs Cl phase and improve the ductility of Mg Y alloy.As pressure increases,the elastic anisotropy in shear of Cs Cl phase decreases,while that of P4/NMM phase remains nearly constant.The elastic anisotropic constructions of the directional dependences of reciprocals of bulk modulus and Young's modulus are also calculated and discussed.     

第一性原理研究Ni_3Al_(1-x)V_x(x=0-0.4)的力学和热力学性质

采用第一性原理方法研究了Ni_3Al_(1-x)V_x(x=0-0.4)的力学性质,发现当V含量为0.1时,Ni_3Al_(1-x)V_x的块体模量、剪切模量、杨氏模量和硬度都出现极大值,因此V掺杂对于Ni_3Al力学性能的提升具有重要作用.另外,还研究了不同压强下Ni_3Al_(0.9)V_(0.1)的吉布斯自由能、焓、熵、热容等热力学性质随温度的变化关系,结果表明:在高温高压条件下,Ni_3Al_(0.9)V_(0.1)的吉布斯自由能、焓、熵、定压热容都出现明显变化.通过计算Ni_3Al_(0.9)V_(0.1)的体膨胀系数,发现压强对于Ni_3Al_(0.9)V_(0.1)的体膨胀效应具有明显的抑制作用.     

Elastic and Thermodynamic Properties of CdSe from First-Principles Calculations

The lattice parameters, bulk modulus, phase transition pressure, and temperature dependencies of the elastic constants c_ij of CdSe are investigated by using the Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) program in the frame of Density Functional Theory (DFT). It is found that the phase transitions from the ZB structure to the RS structure and from WZ structure to RS structure are 2.2 GPa and 2.8 GPa, respectively. Our results agree well with the available experimental data and other theoretical results. The aggregate elastic modulus (B, G, E, A), the Poisson's ratio (υ), the Grüneisen parameter (γ), the Debye temperature Θ_D on pressure and temperature are also successfully obtained.     

Elastic and Thermodynamic Properties of CdSe from First-Principles Calculations

The lattice parameters, bulk modulus, phase transition pressure, and temperature dependencies of the elastic constants cij of CdSe are investigated by using the Cambridge Serial Total Energy Package （CASTEP） program in the frame of Density Functional Theory （DFT）. It is found that the phase transitions from the ZB structure to the RS structure and from WZ structure to RS structure are 2.2 GPa and 2.8 GPa, respectively. Our results agree well with the available experimental data and other theoretical results. The aggregate elastic modulus （B, G, E, A ）, the Poisson＇s ratio （v）, the Griuneisen parameter （γ）, the Debye temperature θD on pressure and temperature are also successfully obtained.     

传压介质对晶格振动和相变压力的影响——α-Bi2O3的高压拉曼光谱研究

 本文分别使用4∶1的甲醇-乙醇混合溶液和固态氩做传压介质测量α-Bi₂O₃的高压拉曼光谱。实验结果表明，传压介质对样品的谱线频移速率及相变压力有明显的影响。通过对拉曼光谱的分析认定，α-Bi₂O₃在高压下可能经历了一次结构相变，在准静水压和非静水压条件下的相变压力分别为23.1 GPa和20.4 GPa。     

水滑石阻燃剂热相变行为及其热力学分析

水滑石(LDH)具有阻燃、消烟、填充和热稳定性等功能,是无机阻燃剂的新品种,以尿素为沉淀剂制备Mg/Al摩尔比为4的镁铝水滑石(MgAl-LDH)阻燃剂。通过X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和热重-差示扫描量热法(TG-DSC)等表征手段,以及结合去卷积及曲线拟合分析,研究了MgAl-LDH阻燃剂的热分解行为,探求其热相变规律,特别是热解相变过程中层板羟基(—OH)的存在形式和层间碳酸根(CO2-₃)的配位变化,并从热力学角度对其热分解过程进行了分析讨论。XRD表征发现,随着温度的升高,LDH阻燃剂主体层板结构发生晶相转变,500 ℃时层间CO2-₃基本脱除生成镁铝双金属混合氧化物(Mg—Al—O),600 ℃有杂相MgAl₂O₄尖晶石晶相生成。基于FT-IR和TG-DSC表征和曲线拟合分析,发现LDH阻燃剂主体层板—OH存在[Al—OH—Al],[Al—OH—Mg]和[Mg—OH—Mg]三种形式,各结构单元中的—OH析出难易程度有所不同,[Mg—OH—Mg]最难析出,[Al—OH—Mg]次之,而[Al—OH—Al]较易;层间CO2-₃亦有三种配位方式,即桥联配位、单齿配位和双齿配位。从热力学角度对MgAl-LDH阻燃剂的热力学性质进行了估算,得到了Mg₈Al₂(OH)₂₀CO₃晶体的吉布斯自由能(Δ_rGθ_T)随温度变化的明确表达式。当温度(T)高于228.65 ℃时,吉布斯自由能(Δ_rGθ_T)小于零,MgAl-LDH发生分解,层板中—OH析出过程是自发进行的。该结果与TG-DSC实验结果接近,表明热力学估算所得吉布斯自由能(Δ_rGθ_T)与温度(T)的关系是可靠的。     

水滑石阻燃剂热相变行为及其热力学分析

水滑石(LDH)具有阻燃、消烟、填充和热稳定性等功能, 是无机阻燃剂的新品种, 以尿素为沉淀剂制备Mg/Al摩尔比为4的镁铝水滑石(MgAl-LDH)阻燃剂。通过X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和热重-差示扫描量热法(TG-DSC)等表征手段, 以及结合去卷积及曲线拟合分析, 研究了MgAl-LDH阻燃剂的热分解行为, 探求其热相变规律, 特别是热解相变过程中层板羟基(—OH)的存在形式和层间碳酸根(CO2-3)的配位变化, 并从热力学角度对其热分解过程进行了分析讨论。XRD表征发现, 随着温度的升高, LDH阻燃剂主体层板结构发生晶相转变, 500 ℃时层间CO2-3基本脱除生成镁铝双金属混合氧化物(Mg—Al—O), 600 ℃有杂相MgAl2O4尖晶石晶相生成。基于FT-IR和TG-DSC表征和曲线拟合分析, 发现LDH阻燃剂主体层板—OH存在［Al—OH—Al］, ［Al—OH—Mg］和［Mg—OH—Mg］三种形式, 各结构单元中的—OH析出难易程度有所不同, ［Mg—OH—Mg］最难析出, ［Al—OH—Mg］次之, 而［Al—OH—Al］较易;层间CO2-3亦有三种配位方式, 即桥联配位、单齿配位和双齿配位。从热力学角度对MgAl-LDH阻燃剂的热力学性质进行了估算, 得到了Mg8Al2(OH)20CO3晶体的吉布斯自由能(ΔrGθT)随温度变化的明确表达式。当温度(T)高于228.65 ℃时, 吉布斯自由能(ΔrGθT)小于零, MgAl-LDH发生分解, 层板中—OH析出过程是自发进行的。该结果与TG-DSC实验结果接近, 表明热力学估算所得吉布斯自由能(ΔrGθT)与温度(T)的关系是可靠的。     

Pb(Sc_(1/2)Nb_(1/2))O_3中有序-无序转变和铁电相变的Raman光谱研究

采用wolframite前驱物法制备了Pb(Sc1/2Nb1/2)O3陶瓷。通过调节陶瓷烧结工艺,获得了三种具有不同B位离子有序度的PSN陶瓷。测量了三种陶瓷样品在室温至160°C范围内的Raman光谱随温度变化。结果表明,随着温度的升高,三种不同B位有序度的陶瓷样品中,Raman光谱中位于530 cm-1的F2g模的峰位和半峰宽分别在100°C,85°C和80°C发生了突变,表明陶瓷分别在100°C,85°C和80°C三个温度点发生了铁电-顺电相变。上述结论得到了介电温度谱测量数据的支持。