高压下有序晶态合金Fe3Pt的低能声子不稳定性及磁性反常

有序晶态Fe₃Pt因瓦合金处于一种特殊的磁临界状态, 这种磁临界状态下体系的晶格动力学稳定性对压力极为敏感. 基于密度泛函理论的第一性原理的投影缀加平面波方法研究了不同晶态合金的Fe₃Pt的焓和磁性随压力的变化规律, 结果表明, 在压力小于18.54 GPa下, P4/mbm结构是热力学稳定的相. Pm3m结构、I4/mmm结构、DO₂₂结构的Fe₃Pt在铁磁性坍塌临界压力附近体系的总磁矩急剧下降并具有振荡现象, 且I4/mmm结构和DO₂₂结构的Fe₃Pt 在临界压力附近出现了Fe1原子磁矩反转现象. 在43 GPa下, DO₂₂结构的Fe₃Pt出现了亚铁磁微观磁特性突然增强且伴随着体积突然增大的现象. 在高压下, 对Pm3m结构Fe₃Pt的晶格动力学计算表明, 压力小于26.95 GPa的铁磁态下体系的自发磁化诱导了体系横向声学支声子软化, 表明体系中存在很强的自发体积磁致伸缩. 特别是在铁磁性坍塌临界压力41.9 GPa至磁性完全消失的57.25 GPa压力区间, 晶格动力学稳定性对压力更加敏感. 压力大于57.25 GPa时, 压力诱导了体系声子谱的稳定.     

钍基碳化物ThC的高压结构稳定性研究

钍基碳化物ThC是重要的核材料,基于第一性原理计算,我们研究了ThC的结构稳定性及相变.声子色散曲线表明基态结构的晶格能够稳定到42 GPa附近,当压力继续升高时虚频的出现表明了动力学的不稳定.经比较基态Fm-3m及高压相Pnma结构的自由能,发现零温下,相变压力为22.4 GPa,符合声子色散曲线的结果,同时预测了两种结构的相变边界.     

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.     

金红石高温高压相变的Raman光谱特征

以Ar作压力介质,在准静水压力条件下,利用激光加热DAC技术和显微Raman光谱原位测试技术,在0～35 GPa压力范围开展金红石的高温高压相变研究。在室温条件下,金红石结构TiO₂于13.4 GPa开始转变成斜锆石相,于21 GPa时转变完全,并直到35 GPa时斜锆石相稳定存在。在压力分别为29.4和35.0 GPa时,用YAG激光器发出的波长为1.064 μm的红外激光束扫描加热样品,TiO₂斜锆石高压相转变成另一Pbca结构高压相。卸压时,Pbca相于26.3 GPa时转变成斜锆石相。斜锆石相转变成Pbca相需要加热才能发生,而卸压时却在较小的压力区间即迅速转变完全,两相转变压力边界在28 GPa左右。进一步卸压,斜锆石相直到11 GPa仍稳定,在7.6 GPa时斜锆石相与α-PbO2相两相共存,5 GPa时完全转变成α-PbO₂相,并直到常压该相以亚稳定态存在。     

锗烷(GeH4)的高压超导相

通过从头算演化理论的结构预测方法,文章作者提出了GeH4的一个高压金属相结构(单斜C2/c),这一结构包含奇特的"H2"单元.焓的计算结果表明,GeH4在压力低于196 GPa时分解为单质Ge和H2,而在高于这一压力时C2/c结构稳定存在.在220 GPa压力下,线性响应微扰理论的计算结果表明,C2/c结构的电子一声子相互作用参数为1.12,其超导转变温度达到64 K.     

γ'-Fe4N软磁复合材料的磁性及损耗特性

软磁复合材料在光伏逆变器、新能源汽车及充电桩等新兴电力电子行业的应用前景广阔.目前研究者们聚焦于开发新型软磁复合材料,达到匹配以SiC和GaN为主的第3代高频宽禁带半导体的目标.本文利用氨气氮化羰基铁粉制备得到高电阻率的γ’-Fe₄N,并证实其具备优异的软磁性能,对γ’-Fe₄N进行球磨处理使其成为静磁易面γ’-Fe₄N粉体,所获得的易面粉体与聚氨酯(PU)混合制成软磁复合材料.与未球磨静磁易面化处理的非易面γ’-Fe₄N复合材料相比,静磁易面γ’-Fe₄N软磁复合材料具有更高的磁导率,更低的功率损耗.与同类软磁复合材料相比,通过氮化工艺降低磁性铁颗粒内涡流效应,静磁易面γ’-Fe₄N软磁复合材料具有优异的高频软磁性能.静磁易面γ’-Fe₄N为软磁复合材料匹配第3代宽禁带半导体的高频应用提供了一种新思路.     

高压下金属Ba的结构稳定性以及热动力学的第一原理研究

采用第一原理方法计算了高压下金属Ba的三个高压相 Ba-I, Ba-Ⅱ和Ba-V的稳定性及热动力学性质.结果表明, Ba的三个高压相在0 K时在其压力范围内都是动力学和力学稳定的;但随压力增加, Ba-I 和Ba-Ⅱ 的声子谱频率出现异常"软化",而Ba-V则出现"硬化".虽然 Ba-Ⅱ 和 Ba-V 同为六方密堆(hcp)结构,计算表明它们在高压下表现出了不同的弹性各向异性.计算同时发现 Ba-Ⅱ 在更高的压力下仍满足力学稳定条件,但声子谱有虚频存在, 表明动力学失稳是Ba-Ⅱ在压力下向Ba-I!V相转变的原因. 计算和比较了同为六方密堆(hcp)结构的Ba-Ⅱ和Ba-V在高压下的声速、 德拜温度、体模量、剪切模量等力学和热学性质, 展现了金属Ba在压力下的稳定机制和热动力学性质.     

NbSi2奇异高压相及其热力学性质的第一性原理研究

采用基于粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO, 并结合第一性原理的VASP程序, 在175 GPa发现NbSi₂的奇异立方高压相. 在此结构中, Nb原子形成金刚石结构, 而Si原子则形成正四面体镶嵌在金刚石结构中. 声子谱计算结果表明该结构是动力学稳定的. 电子结构分析表明, 六角相和立方相NbSi₂均为金属, 对金属性贡献较大的是Nb原子, 而且Nb和Si原子之间存在明显的p-d杂化现象, 电荷更多地聚集在Si四面体中. 利用“应力应变”方法, 计算了NbSi₂的弹性常数, 分析了其体积模量、剪切模量、杨氏模量和德拜温度等热动力学性质随压力的变化并进行了详细的讨论. 根据剪切模量和体积模量的比值分析了NbSi₂两种相结构的脆性和延展性, 发现压力会导致六角相NbSi₂的延展性增加, 但对立方相结构的延展性影响较小; 采用经验算法计算了NbSi₂两种相结构硬度变化情况, 结合这一比值进行了详细的分析. 弹性各向异性计算结果表明, 随着压力增加, 六角结构的各向异性增强, 而立方结构的各向异性减小.     

o-C_8碳:新的超硬碳同素异形体（英文）

通过粒子群优化算法和密度泛函计算,证明了空间群为PMM A的正交晶系的碳同素异形体o-C_8是稳定的超硬相.声子谱计算表明,o-C_8碳相是动力学稳定的;体积压缩计算表明,它是体模量为298.6 GPa的高度不可压缩材料.o-C_8相是一种新型的密度为2.993 g/cm~3、维氏硬度为67.0 GPa的低密度超硬材料.     

类石墨烯氮化碳结构(C3N)热传导机理研究

类石墨烯氮化碳结构(C₃N)作为一种全新的碳基二维半导体材料,由于其优异的机械和电子性能引起了研究者们的广泛关注,不同结构C₃N的热输运和声子输运机制还待进一步研究.本文构造了4种不同结构的C₃N,采用非平衡分子动力学与晶格动力学方法对不同结构的C₃N的热传导机理进行了研究.研究结果表明:1)在4种结构中M3热导率最高,M1次之,M4热导率最低;2)不同结构的C₃N的热导率具有明显的尺寸效应和温度效应.当样本长度较短时,声子主要以弹道输运的方式进行传输;当样本长度增大,扩散输运占主导地位;随着温度的升高,Umklapp散射在热输运中占据主导地位,使得热导率与温度具有1/T的依赖性.3)与M3相比,M1和M4结构中都存在更大的声子带隙,色散曲线进一步软化,低频和高频声子同时出现了局域化的特征,对热导率产生了显著的抑制作用.本文为更好地设计热管理材料提供了思路.     

高温高压方法合成碳包覆γ-Fe_2O_3纳米棒及其磁学性能

采用高温高压(HPHT)方法,以水热法制备的聚乙烯醇包覆FeOOH纳米棒为前驱体,合成了碳包覆γ-Fe2O3纳米棒.通过使用多种表征方法,研究了HPHT过程中合成温度对样品结构和形貌的影响,并对样品的生长机理进行了探讨.利用振动样品磁强计测量了样品的室温磁学性质.实验结果表明,反应温度为400?C,压强为1 GPa条件下制备的碳包覆γ-Fe2O3纳米棒具有较高的长径比(直径约为20 nm,长度约为150 nm),矫顽力可达到330 Oe(1 Oe=79.5775 A/m).该方法为制备具有核壳结构的一维纳米材料提供了新思路.     

γ-Fe_2O_3/NiO核-壳纳米花的合成、微结构与磁性

利用溶剂热/热分解的方法合成出微结构可控的γ-Fe_2O_3/NiO核-壳结构纳米花.分析表明NiO壳层是由单晶结构的纳米片构成,这些纳米片不规则地镶嵌在γ-Fe_2O_3核心的表面.Fe3O4/Ni(OH)_2前驱体的煅烧时间对γ-Fe_2O_3/NiO核-壳体系的晶粒生长、NiO相含量和壳层致密度均有很大的影响.振动样品磁强计和超导量子干涉仪的测试分析表明,尺寸效应、NiO相含量和铁磁-反铁磁界面耦合效应是决定γ-Fe_2O_3/NiO核-壳纳米花磁性能的重要因素.随着NiO相含量的增加,磁化强度减小,矫顽力增大.在5 K下,γ-Fe_2O_3/NiO核-壳纳米花表现出一定的交换偏置效应(H_E=46 Oe),这来自于(亚)铁磁性γ-Fe_2O_3和反铁磁性NiO之间的耦合相互作用.与此同时,这种交换耦合效应也进一步提高了样品的矫顽力(H_C=288 Oe).     

Growth, structural, and magnetic properties of iron nitride thin films deposited by dc magnetron sputtering

FeN thin films were deposited on glass substrates by dc magnetron sputtering at different Ar/N₂ discharges. The composition, structure and the surface morphology of the films were characterized using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), and atomic force microscopy (AFM). Films deposited at different nitrogen pressures exhibited different structures with different nitrogen contents, and the surface roughness depended on the mechanism of the film growth. Saturation magnetization and coercivity of all films were determined using superconducting quantum interference device, which showed that if N₂/(Ar+N₂) flow ratio was equal to or larger than 30% the nonmagnetic single-phase γ″-FeN appeared. If N₂/(Ar+N₂) flow ratio was less than 10%, the films consisted of the mixed phases of FeN_0.056 and γ′-Fe₁₆N₂, whose saturation magnetizations were larger than that of -Fe. If N₂/(Ar+N₂) flow ratio was 10%, the phases of γ′-Fe₄N and -Fe₃N appeared, whose saturation magnetizations were lower than that of -Fe.     

The Optical Properties of (C59N)2

Using the extended Hubbard model and sum-over-state method, we have calculated the linear polarizability α and the third-order nonlinear polarizability γ for (C₅₉N)₂. We find that (C₅₉N)₂ has very big γ value (around esu), and its α and γ values are bigger than those of C₅₉N. In particular, when 1.2 eV≤3ω, (C₅₉N)₂ as much larger γ values than C₅₉N.     

新型石墨插层化合物HfC2结构与性质的第一性原理研究

在高压下,预测一种新型石墨插层化合物HfC₂.采用第一性原理方法对其在0 GPa下的结构和性质进行研究,分别采用GGA-PBESOL、GGA-PW91和LDA方法进行结构优化,得到的晶体学数据基本相同.弹性常数和声子谱计算证实其力学和晶格动力学稳定性,表明HfC₂在0 GPa下能够稳定存在.采用GGA-PBESOL方法计算得到HfC₂的体模量和剪切模量达到265 GPa和118 GPa,Pugh比k<0.57,是一种具有高体模量的韧性材料.HfC₂存在C-C、Hf-C共价作用,且具有金属特性和特殊层状结构,是其具有高体模量和韧性的原因.最后,对HfC₂在0~500 GPa内的键长、体模量、剪切模量、k值等进行研究,探索其力学性质随压力变化的规律.     

Ab initio studies on ammonium iodine under high pressure

Ammonium iodine(NH_4I) as an important member of hydrogen-rich compounds has attracted a great deal of attention owing to its interesting structural changes triggered by the relative orientations of adjacent ammonium ions. Previous studies of ammonium iodide have remained in the low pressure range experimentally, which we first extended to so high pressure(250 GPa). We have investigated the structures of ammonium iodine under high pressure through ab initio evolutionary algorithm and total energy calculations based on density functional theory. The static enthalpy calculations show that phase V is stable until 85 GPa where a new phase Ibam is identified. Calculations of phonon spectra show that the Ibam phase is stable between 85 GPa and 101 GPa and the Cm phase is stable up to 130 GPa. In addition, ammonium iodine dissociates into NH_3, H_2, and I_2 at 74 GPa. Subsequently, we analyzed phonon spectra and electronic band structures, finding that phonon softening is not the reason of dissociation and NH_4I is always a semiconductor within the pressure range.     

Mg-Al-N三元团簇的密度泛函理论研究

运用杂化密度泛函方法B3LYP在6-311+G^*计算水平上研究Mg_xAl_yN(x,y=1-5)团簇的结构.对Mg_xAl_yN团簇最低能量结构的稳定性和电子特性进行研究.结果表明,Mg_xAl_yN(x+y≤4)团簇的构型主要是平面结构.Mg_xAl_yN团簇的最低能量结构主要是由Al_nN或Mg_x-1Al_y+1N的构型演变而来.Mg_xAl_yN团簇离解成原子或者较小团簇是相对稳定的.和相邻团簇相比,MgAl₃N和Mg₃Al₃N拥有较高的稳定性.随着团簇尺寸的增加,Mg_xAl_yN团簇同时表现出共价键,离子键和金属键的特点.另外,随着团簇尺寸的增加,团簇的垂直电离势和电子亲合能呈现小的震荡,但并没发现整体的变化规律.     

Pressure dependence of zone-boundary phonons in AlSb

Abstract

We have investigated the effect of hydrostatic pressure on zone-boundary and other critical-point phonon frequencies of AlSb by second-order Raman scattering. A softening of the TA(X), TA(L) and (L/T)A([Sgrave]) modes has been observed for pressures up to the first phase transition at 7.7 GPa. The LA(L) as well as the optical TO at X-, L-, and LO at [Sgrave]-, X-points harden with increasing pressure. Mode Griineisen parameters of all the resolved modes were calculated. Reflectivity measurements indicate that the high pressure phase above 7.7 GPa is metallic.