单斜相HfO2薄膜弹性常数的第一性原理计算

用电子束蒸发沉积在K9玻璃基底上镀制HfO2薄膜,沉积温度为200℃,蒸发速率为0.03nm/s。由X射线衍射谱可知薄膜出现明显结晶,且为单斜相和正交相混合结构,其中单斜相占明显优势。用Jade5软件分析得到单斜相HfO2的晶格常数a,b,c以及晶格矢量a和c之间的夹角β。基于得到的晶格常数建立了单斜相HfO2薄膜的晶体结构模型。同时建立固态单斜相HfO2的晶体结构模型进行对比。通过密度泛函理论(DFT)框架下的平面超软赝势法,采用两种不同的交换关联函数:局域密度近似(LDA)中的CA-PZ和广义梯度近似(GGA)中的质子平衡方程(PBE),计算了薄膜态和固态单斜晶相HfO2的弹性刚度系数矩阵Cij和弹性柔度系数矩阵Sij,Reuss模型、Voigt模型和Hill理论下的体积模量和剪切模量,材料平均杨氏模量和泊松比。此外还计算得到薄膜态和固态单斜晶相HfO2在不同方向上的杨氏模量。     

FeAl(B2) 合金La, Ac, Sc 和 Y 元素微合金化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了稀土元素(La, Ac, Sc 和 Y) 微合金化对FeAl (B2) 有序金属间化合物合金晶体结构、 弹性和电子性能的影响. 计算结果表明: 稀土元素Y 易于取代Fe位, 而Sc, La和Ac易于取代Al位, 其中Ac元素的加入使晶格点阵发生最大的变形. 弹性性能的计算表明La, Ac, Sc 和 Y 元素的加入可以改善FeAl (B2) 的塑性, 其中Fe₇Al₈Sc具有最好的塑性和硬度. 稀土元素对合金性能的影响, 主要是由于稀土原子的加入改变了Fe和Al电子之间的杂化作用. 计算结果与已有的试验结果和理论结果相一致.     

铀的弹性、能带结构和光学常数的第一性原理计算

采用密度泛函理论,赝势平面波方法计算了金属铀a相的晶体结构,弹性常数,体模量,电子能带结构和光学常数(折射率n和消光系数k)等.其中,铀的晶格参数,弹性常数和体模量等与实验及其它第一性原理计算结果十分吻合.计算得到了铀的光学常数,与实验结果作了对比并进行了分析说明.     

Mg-Y-Zn合金三元金属间化合物的电子结构及其相稳定性的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理平面波赝势方法计算Mg-Y-Zn合金三元金属间化合物X-Mg₁₂YZn 相和W-Mg₃Y₂Zn₃相的晶格常数、形成焓和电子结构. 形成焓的计算结果表明, X-Mg₁₂YZn相和W-Mg₃Y₂Zn₃相都具有负的形成焓, 并且W-Mg₃Y₂Zn₃相的形成焓更低; 电子结构的计算分析表明, W-Mg₃Y₂Zn₃相成键峰主要来自Mg的2p轨道、Zn的3p轨道和Y的4d轨道的贡献. 而X-Mg₁₂YZn相成键峰主要来自Mg的3s和2p轨道、Zn的3p轨道和Y的4d轨道的贡献. 对W-Mg₃Y₂Zn₃相(011)面和X-Mg₁₂YZn相(0001)面的电荷密度分析表明, 两相中Zn-Y原子间都形成了共价键, 且W-Mg₃Y₂Zn₃相的共价性比X-Mg₁₂YZn相的共价性更强. 在费米能级低能级处, W-Mg₃Y₂Zn₃相具有更多的成键电子数, 决定了W-Mg₃Y₂Zn₃相比X-Mg₁₂YZn相有更好的相稳定性.     

Mg8Sn4-xMx结构稳定性与弹性常数的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的CASTEP软件构建Mg₈Sn_4-xM_x(M=Al、Cu;x=0、1或2)晶体结构模型,采用第一性原理计算其晶格常数、结构稳定性和弹性常数,并分析不同量的M原子固溶于Mg₂Sn后体系的电子特性、弹性性能和本征硬度.计算结果表明,M原子能自发固溶于Mg₂Sn相,且所得Mg₈Sn_4-xM_x(x=1或2)晶体结构均可稳定存在;当2个M原子固溶于Mg₂Sn时,使其晶体结构由立方晶系转变为四方晶系.态密度分析表明,M原子固溶后体系原子存在明显轨道杂化现象,表现出较强的共价键,增加M原子固溶量不会改变各原子对态密度的贡献规律,但会提高该原子对电子对态密度的贡献度.弹性性能和本征硬度分析表明：Mg₂Sn中固溶M原子后,体系力学性能仍稳定,增加M原子固溶量,体系硬度逐渐降低,韧塑性不断提高,即M原子固溶量增加能提升体系的...     

六角相ErAx (A=H,He)体系弹性性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理研究了六角相ErA_x (A=H, He)的弹性性质, 其中x=0, 0.0313, 0.125, 0.25, 分别讨论了体系中不同浓度的氢和氦对体系弹性性质的影响. 计算结果表明, 六角相铒-氢体系晶体的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量基本上随着晶体中氢的浓度增加而增加, 然而, 铒-氦体系的弹性常数、体弹模量、剪切模量和杨氏模量几乎随着氦浓度的增加而降低. 从电荷转移方面分析了氢和氦与Er的相互作用, 发现六角相ErH_x的弹性性质随H浓度的变化机理与ErHe_x随He浓度的变化机理不同. 关键词： 第一性原理 弹性性质 x')" href="#">六角相ErH_x x')" href="#">六角相ErHe_x     

Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文使用第一性原理的GGA/RPBE方法研究了Cr₂MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质. 研究发现两个化合物的体积压缩性几乎相同, 并且证实了在0—50 GPa范围内c轴始终较a轴更难以压缩并且结构始终是稳定的. 通过对内坐标的研究发现了Cr₂AlC中Cr离子的内坐标始终大于Cr₂GaC中Cr离子的内坐标. 使用准谐德拜模型得到的体弹模量在0 GPa下随着温度的升高而减小, 而在300 GPa下则随着温度的升高而增大. 对德拜温度的研究发现Cr₂GaC的值小于Cr₂AlC的值, 而对热膨胀系数、Grüneisen参数、熵和热容的计算发现Cr₂GaC的值大于Cr₂AlC的值. 对电子结构的分析发现Cr₂GaC的s和p电子在费米能级处的值大于Cr₂AlC的s和p电子的值, 而其他离子的电子分布几乎一致.     

Si-Li合金相嵌锂性能和弹性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平面波赝势方法,计算了锂离子电池硅负极材料在嵌Li过程中形成LixSi合金相(0≤x≤4.4)的形成能、嵌Li电位、晶体结构、电子结构和弹性性能。计算结果表明,随着嵌Li量的增加,LixSi合金体系总量能逐渐降低,LixSi合金相的形成能均为负值,表明硅负极材料的嵌Li反应在热力学可以自发进行;随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的平均嵌Li电位逐渐降低,体积膨胀率逐渐增大,这与实验测得的结果具有良好的一致性。LixSi合金相在费米能级附近的电子主要由Si原子的p电子和Li原子的s电子共同贡献,LixSi合金相的费米能态密度随着嵌Li量的增加在整体上呈现增大趋势,电子导电性增强。随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的体积模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)逐渐降低,G/B值表明LixSi合金相均呈脆性,导致硅在嵌Li过程容易发生脆性结构破坏。     

Si-Li合金相嵌锂性能和弹性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平面波赝势方法,计算了锂离子电池硅负极材料在嵌Li过程中形成LixSi合金相(0≤x≤4.4)的形成能、嵌Li电位、晶体结构、电子结构和弹性性能。计算结果表明,随着嵌Li量的增加,LixSi合金体系总量能逐渐降低,LixSi合金相的形成能均为负值,表明硅负极材料的嵌Li反应在热力学可以自发进行;随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的平均嵌Li电位逐渐降低,体积膨胀率逐渐增大,这与实验测得的结果具有良好的一致性。LixSi合金相在费米能级附近的电子主要由Si原子的p电子和Li原子的s电子共同贡献,LixSi合金相的费米能态密度随着嵌Li量的增加在整体上呈现增大趋势,电子导电性增强。随着嵌Li量的增加,LixSi合金相的体积模量(B)、剪切模量(G)和杨氏模量(E)逐渐降低,G/B值表明LixSi合金相均呈脆性,导致硅在嵌Li过程容易发生脆性结构破坏。     

第一性原理计算α-ScDx(D=H,He)的弹性常数

本文采用第一性原理方法研究了α相钪氢化合物(α-ScH _x )和α相钪氦化合物(α-ScHe _x )的弹性常数,其中x=0,1/4,1/8,1/32表示H原子和He原子在α-ScD_x(D=H,He)中的浓度.研究结果表明,对于钪,氢和氦对晶体的弹性性质的影响截然不同.钪氢化合物晶体的弹性常数基本上随着晶体中氢的浓度增加而增加,这跟实验测量得出的结论一致;然而,钪氦化合物体系的弹性常数几乎随着氦浓度的 关键词： 第一性原理 弹性常数 x')" href="#">α-ScH _x x')" href="#">α-ScHe _x     

外部压力下β相奥克托金晶体弹性性质变化的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用投影缀加波方法对不同压力条件下β相奥克托金(β-HMX)的弹性常数进行了计算.计算得到零压条件下β-HMX的体弹性模量为12.7 GPa,剪变模量为4.4 GPa,与实验测量结果接近.对β-HMX弹性常数压力响应的分析表明,随着外部压力增加,晶体的体弹性模量和剪变模量逐渐增加.当外部压力达到7 GPa时晶格开始沿剪应变方向出现不稳定性,与拉曼散射实验结果相符.     

FeMnP_(1-x)T_x(T=Si,Ga,Ge)系列化合物机械性能的第一性原理研究

以密度泛函理论为基础,使用投影缀加波方法、VASP程序包研究了FeMnP_(1-x)T_x(T=Si,Ga,Ge)化合物的力学性质,结果表明FeMnP_(1-x)Ga_x化合物的晶格参数、弹性常数和电子结构与FeMnP_(1-x)Ge_x化合物比较接近,同时该化合物在力学上稳定,是预期具有较大的磁熵变和高磁热效应的材料.依据Pugh判据,FeMnP_(0.67)T_(0.33)(T=Si,Ga,Ge)化合物具有良好的延展性,三者之中FeMnP_(0.67)Ga_(0.33)韧性最好,FeMnP_(0.67)Si_(0.33)韧性相对较差,说明Ga替代P可改善此类化合物的机械性能.最后从化合物体系电子总态密度随不同掺杂T原子的演化规律解释了自洽计算得到的弹性常数的变化规律.     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

BiXO3 (X= Cr,Mn, Fe,Ni)结构稳定性的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似方法和赝势平面波法的第一性原理计算及化学势的热力学平衡原理,对BiXO₃ (X= Cr, Mn, Fe, Ni)的结构稳定性进行了仔细的研究. 结果表明,这四种多铁化合物中, BiFeO₃最稳定, BiCrO₃次之, 而BiMnO3和BiNiO3则很难在热平衡条件下稳定,因此在样品制备中要多考虑热平衡之外的手段. 关键词： 3')" href="#">BiXO₃ 结构稳定性 第一性原理     

Mg_2Ge吸收系数和能量损失函数的第一性原理计算

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Mg_2Ge基态的电子结构、电子态密度、弹性常数以及主要光电性质.计算结果表示Mg_2Ge是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0.2136 eV;其价带主要由Ge的4s,4p态电子组成,导带则主要由Mg的3s,3p以及Ge的4p态电子组成;静态介电常数ε_1(0)=25.294;折射率n_0=4.5043;吸收系数最大峰值为396560.9 cm~(-1);通过计算弹性常数解释了Mg_2Ge的脆性;并分析了所计算的Mg_2Ge光电性质和其能带结构,为Mg_2Ge提供了在光电应用领域的理论依据和实验指导.     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛（TiO₂）作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用.本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Co,N）共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Co/N）体系进行了对比.结果表明,在三种共掺杂TiO₂中,Co与N相邻时晶格畸变最小,但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时,较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外,因为C0与N成键,其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异.（Co,N）共掺杂体系与未掺杂TiO₂的相比,其禁带宽度较小,禁带中存在杂质能级,因此其吸收边红移,在可见光波段有较好的光吸收能力.故（Co,N）共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO₂在可见光波段的光催化性能.     

N,Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光量子效率;与纯TiO2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.     

La65X35(X=Ni,Al)非晶合金原子结构的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学和静态电子结构计算,研究了La₆₅X₃₅（X=Ni,Al）非晶合金体系原子结构随温度演化的规律及其相关电子结构特性.使用径向分布函数、Voronoi团簇以及键对分析等给出了从高温液体快速冷却到玻璃态过程中原子结构的演化规律.研究发现,该类合金体系的原子排布符合局域密堆模型,两体系中占比最大的特征多面体类型由溶质与溶剂原子半径比调控;两体系中高五次对称性局域结构随温度的下降而增加验证了其在抑制晶化方面的重要作用;利用投影态密度分析两体系电子结构之间的差异,指出La-5d与Ni-3d电子间强烈的杂化是La–Ni 间键长缩短的电子结构起源,为理解成分相关的结构和物性提供了重要线索.     

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     

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