难熔元素钨在NiAl位错体系中的占位及对键合性质的影响

用第一性原理离散变分方法研究了难熔元素钨(W)在金 属间化合物NiAl<100>(010)刃型位错体系中的占位以及对键合性质的影响, 计算了纯位错体系和掺杂体系的能量参数(结合能、 杂质偏聚能及原子间相互作用能)、 态密度和电荷密度分布. 体系结合能和杂质偏聚能的计算结果表明: 难熔元素W优先占据Al格位. 此外,由于难熔元素W的4d轨道与近邻基体原子Ni的3d轨道和Al的3p轨道的杂化, 使得掺杂体系中难熔元素W与近邻基体原子间的相互作用能加强; 同时难熔元素W与位错芯区近邻基体原子间有较多的电荷聚集, 这表明W与近邻基体原子间形成了较强的化学键. 难熔元素W对NiAl化合物的能量及电子结构有较大的影响, 从而影响位错的运动及NiAl金属间化合物的性能. 关键词： 电子结构 位错 金属间化合物 杂质     

3d过渡金属在NiAl中的占位及对键合性质的影响

通过赝势平面波方法系统地研究了3d过渡金属元素在B2-NiAl中的占位以及对键合性质的影响.通过形成能得出Sc,Ti,V 和Zn元素优先取代NiAl中的Al位,而Cr,Mn,Fe,Co和Cu优先取代Ni位.通过分析晶格常数变化量、电荷聚居数、交叠聚居数以及价电荷密度分布, 讨论了晶格畸变和键合性质的变化.结果表明: 取代Al的Sc,Ti,V和Zn元素掺杂使NiAl中晶格发生畸变,这对NiAl键合性质的变化起着重要作用,这些掺杂元素与第一近邻Ni原子产生强烈的排斥作用,形成反键,同时它们之间发生较大的电荷转 关键词： NiAl金属间化合物 3d过渡金属 第一性原理 键合性质     

Effect of P impurity on NiAlΣ5 grain boundary from first-principles study

First-principles calculations based on the density functional theory(DFT) and ultra-soft pseudopotential are employed to study the atomic configuration and charge density of impurity P in Ni Al Σ5 grain boundary(GB). The negative segregation energy of a P atom proves that a P atom can easily segregate in the Ni Al GB. The atomic configuration and formation energy of the P atom in the Ni Al GB demonstrate that the P atom tends to occupy an interstitial site or substitute a Al atom depending on the Ni/Al atoms ratio. The P atom is preferable to staying in the Ni-rich environment in the Ni Al GB forming P–Ni bonds. Both of the charge density and the deformation charge imply that a P atom is more likely to bond with Ni atoms rather than with Al atoms. The density of states further exhibits the interactions between P atom and Ni atom, and the orbital electrons of P, Ni and Al atoms all contribute to P–Ni bonds in the Ni Al GB. It is worth noting that the P–Ni covalent bonds might embrittle the Ni Al GB and weakens the plasticity of the Ni Al intermetallics.     

The effect of boron on the electronic structure of dislocation in NiAl

The segregation effect of B on the [100](010) edge dislocation core in NiAl single crystals is investigated using the DMol method and the discrete variational method within the framework of density functional theory. The impurity segregation energy and the charge distribution are calculated. The effects of B on the dislocation motion are discussed. The results show that B prefers to segregate at the Center-Al dislocation core. Moreover, B forms strong bonding states with its neighboring host atoms, which ma...     

杂质P对α-Fe中刃型位错上扭折电子结构的影响

利用离散变分方法和DMol方法,研究了P对bcc Fe中［100］(010)刃型位错上扭折电子结构的影响,计算了杂质偏聚能、原子间相互作用能、电荷密度及态密度.计算结果表明：微量P引入体系后,电荷发生了重新分布,P原子得到电子,其周围Fe原子失去电子,由于P原子的3p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使P原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高.同时,杂质P原子与基体原子间的成键主要是d,p轨道起作用,使得它们之间的成键有较强的方向性,有可能 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素     

Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的电子结构与力学性能

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Nb掺杂γ-TiAl金属间化合物的结构参数、能带结构、电子态密度及弹性常数.结果表明:Nb替代Ti掺杂相比Nb替代Al掺杂的形成能低,Nb在替位掺杂时更倾向于取代Ti原子形成稳定的结构,Nb替代Ti掺杂能够提高γ-TiAl金属间化合物的抵御塑性变形能力、断裂强度和延展性;与Nb替代Ti掺杂相比,Nb替代Al掺杂同样增强γ-TiAl金属间化合物的断裂强度且其增强延展性的效果更好,但抵御塑性变形的能力有所削弱.     

位错及掺杂对球铁冲击韧性影响的电子机理

在球墨铸铁金属基体中建立α-Fe[100](010)刃型位错原子模型,利用基于密度泛函理论的CASTEP目的 计算C原子在位错芯区的埋置能、亲和能、电荷布居数等电子参数.结果表明:α-Fe[100](010)刃型位错芯区局域效应集中范围较小并具有C_2v点群对称性.位错芯区的能量低谷吸引轻质杂质C原子偏聚,C原子的2p轨道与刃型位错尖端Fe原子的4s价轨道之间发生电荷转移,具有较强的相互作用,使位错运动受阻.Fe-C原子间布居数较大、原子间距离较小表明,Fe-C原子间有生成渗碳体化合物的倾向.Si原子掺杂渗碳体的结合能及各原子轨道分波态密度表明,Si原子能够促使渗碳体分解,析出碳硅化合物成为石墨球化的核心,从而改善球墨铸铁的冲击韧性.     

过渡族金属掺杂Al(111)表面对氢分子催化分解的影响

为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH₄效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H₂在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH₄提供理论参考.     

低覆盖度CO分子在 Ni（110）面的吸附研究

利用密度泛函理论研究了低覆盖度下CO分子在Ni（110）表面的吸附结构和电子态。研究结果表明：在低覆盖度情况下, CO分子优先垂直吸附在短桥位,其次是顶位和长桥位。垂直短桥位吸附、顶位吸附相应的振动频率分别是1850.52 cm-1、1998.08cm-1。态密度的研究结果表明：CO分子和Ni原子在-10 eV -8 eV,-8 eV—-6 eV及1 eV -5 eV能量范围内发生了杂化作用。-10ev -8ev能量范围内的杂化主要来源于C、O原子的s轨道、pz轨道与Ni原子s、p、d轨道的杂化作用。-8ev—-6ev能量范围内的杂化作用主要来源于C、O原子的py、 px轨道与Ni原子d、s轨道的杂化作用。轨道间的杂化作用是吸附作用的主要来源。 我们计算的吸附位置与相应的振动频率与相关实验结果基本一致。     

钢铁材料组织超细化机理的电子理论研究

通过计算机编程建立奥氏体相中的1/2［110］刃位错，用实空间的递推方法计算碳、氮及合金元素在完整晶体及位错区引起的环境敏感镶嵌能，进而讨论碳、氮及合金元素在位错区的 偏聚及交互作用.计算结果表明：分立的轻杂质C，N易偏聚在位错区，它们在刃位错上方形 成柯氏气团；合金元素在完整的奥氏体晶体中趋于均匀分布，强、中碳化物形成元素（Ti, V, Nb, Cr）易在刃位错区偏聚，它们在位错上方形成柯氏气团，而非碳化物形成元素Ni偏 聚于位错线下方，或分布于非缺陷区；轻杂质加剧强碳化物形成元素在刃位错区的偏聚.当 温度下降使得C，N及合金元素的浓度超过其最大固溶度时，在钢的奥氏体刃位错区将有C，N化合物脱溶，这些化合物可作为奥氏体再结晶的异质晶核，细化晶粒. 关键词： 电子结构 位错 超细化     

Element segregation on the surfaces of pure aluminum foils

The surface segregation trend of trace elements in pure aluminum foils was investigated by density functional theory. The model of nine-layer Al(1 0 0) slab substituted partially by trace element atoms was proposed for calculating surface segregation energy. The calculating results show that (i) B, Mg, Si, Ga, Ge, Y, In, Sn, Sb, Pb and Bi exhibit negative segregation energy and possibly move to the surface, while Be, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zr exhibit positive segregation energies and migrated into the bulk; (ii) the segregation energy was found to be related with the covalent radius, the relaxed position at the surface of the substituting atom and the surface energy; (iii) the segregation behavior of trace element generates lots of defects and dislocation, which can increase the initial pitting nucleation sites in the surface of aluminum foils; (iv) the impurity atom concentration was tested with Pb-doped surfaces, the calculated negative segregation energies in all coverage increases rapidly with the Pb coverage. These conclusions are helpful for designing of the chemical composition and to advance the tunnel etching of aluminum foils.     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代AlN纳米管(AlNNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质; 并且以理想AlN纳米管(AlNNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比. 研究发现: 5d 原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v, 但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大; 当掺杂的5d元素相同时, Al5d的成键能比N5d的成键能大; 当掺杂体系相同时(Al5d或N5d), 其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低; 掺杂体系中出现了明显的杂质能级, 给出了态密度等结果; 不同掺杂情况的磁矩不同, 总磁矩呈现出较强的规律性. 利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.     

5d过渡金属原子掺杂氮化铝纳米管电子结构、磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法, 研究了5d过渡金属原子(Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg)取代AlN纳米管(AlNNTs)中的铝原子或氮原子时体系的几何结构、电子结构和磁性性质; 并且以理想AlN纳米管(AlNNTs)、Al缺陷体系(VAl)和N缺陷体系(VN)的结果作为对比. 研究发现: 5d 原子取代Al(Al5d)时体系的局域对称性接近于C3v, 但是取代N(N5d)时体系的局域对称性偏离C3v对称性较大; 当掺杂的5d元素相同时, Al5d的成键能比N5d的成键能大; 当掺杂体系相同时(Al5d或N5d), 其成键能基本上随着5d原子的原子序数的增大而降低; 掺杂体系中出现了明显的杂质能级, 给出了态密度等结果; 不同掺杂情况的磁矩不同, 总磁矩呈现出较强的规律性. 利用C3v对称性和分子轨道理论解释了过渡金属原子取代Al时杂质能级的产生和体系磁性的变化规律.     

In在Al(001)表面偏析的模拟

通过一种空位模型详细的描述了In在Al(001)表面的扩散偏析过程,利用周期性密度泛函理论方法计算了这个偏析过程中每步构型的能量和In原子扩散的能量壁垒,并对可能的偏析机理进行分析.结果表明:In原子从Al(001)表面第二层扩散偏析至表面层时,系统的能量降低了0.64 eV,最大的扩散迁移壁垒为0.34 eV;而从表面更内层向表面第二层扩散时系统能量基本保持不变,扩散需要克服的能量壁垒为0.65 eV,说明In原子在Al(001)表面只能由体内向表面扩散偏析.In在Al(001)的清洁表面具有强烈的偏析趋势,在热力学上是容易进行的. 关键词： 密度泛函理论 表面偏析 扩散 Al合金     

Nb-Ti-Al合金高温氧化机理电子理论研究

采用递归法计算了Nb合金的电子态密度、原子镶嵌能、亲和能和团簇能等电子结构参数,研究Nb合金高温氧化机理.研究表明,氧在Nb合金表面的吸附能较低,易在合金表面吸附,并逐渐扩散到Nb合金的基体中.氧在合金基体中镶嵌能为负值,氧的态密度和Nb相似,在Nb中具有很高的溶解度.Ti,Al在合金晶内的镶嵌能均高于各自在合金表面的镶嵌能,Ti,Al从合金内部向合金表面扩散,最终在Nb合金表面偏聚,形成富Ti,Al的表层.团簇能计算结果表明Nb合金表面的Ti,Al原子各自均有聚集倾向,分别形成Ti和Al原子团.氧与合金     

Fe中刃型位错上扭折及掺杂体系的电子结构

利用离散变分方法和DMol方法,研究了体心立方Fe中1/2［111］（110）刃型位错上扭折及掺杂（N,O）体系的电子结构.能量（杂质偏聚能及格位能）计算结果表明,杂质元素N,O进入扭折芯区的偏聚趋势,这与位错扭折引起的晶格畸变有关.同时,在杂质元素周围有一些电荷聚集,导致扭折上电荷的不均匀分布,杂质原子得到电子,其周围Fe原子失去电子.由于N原子的2p轨道与近邻Fe原子的3d4s4p轨道之间杂化,使N原子与近邻Fe原子间有较强的相互作用,不利于扭折的迁移,使位错运动受阻,有利于材料强度的提高;而O与最近邻Fe原子之间的相互作用较弱.杂质-扭折复合体的局域效应明显影响体系的电子结构、能量及性能. 关键词： 电子结构 刃型位错 扭折 杂质元素     

氢分子在Mg2Ni(010)面的吸附与分解

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理赝势平面波(PW-PP)方法,对氢分子在Mg2Ni(010)面的吸附与分解进行了研究,我们发现氢分子以Hor1的方式吸附在表面层Ni原子的顶位时吸附能最高,为0.6769eV,这表明氢分子最可能以Hor1的方式吸附在表面层Ni原子的顶位,此时氢分子跟表面的距离( )和氢分子的键长( )分别为1.6286Å和0.9174Å. 在分子吸附的基础上计算了氢分子沿着选取的反应路径分解时的反应势垒,发现要使氢分子分解需要0.2778eV的活化能,而氢分子分解时的吸附能为0.8390eV,分解后两个氢原子的距离为3.1712Å. 在分子吸附和分解吸附时氢原子跟正下方的Ni原子都有较强的相互作用,氢原子所得到的电子主要来自氢分子正下方的Ni原子.     

金属元素掺杂对TiAl合金力学性能的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了金属元素X (X分别表示V, Nb, Ta, Cr, Mo和W)掺杂对TiAl合金性能的影响. 研究发现, 掺杂可以有效减小合金的各向异性, 增强Ti-Al 原子间的相互作用, 同时增强金属键性, 减弱共价键性, 有利于塑性变形. 在相同的压力下, 不同的掺杂浓度和掺杂元素对体积的影响不同. 通过计算不同掺杂体系的弹性常数、体弹模量和剪切模量可知: 当掺杂浓度为6.25%时, 相对于V, Nb和Ta, Cr, Mo和W掺杂能较好地改善TiAl金属间化合物的韧性; 当掺杂浓度为12.5%时, 相对其他掺杂元素Mo的韧化作用最强. 从Mo掺杂后TiAl体系的分波态密度和电荷密度图, 发现Mo和Ti 原子发生强烈的s-s, p-p, d-d电子相互作用, 有效地束缚了合金中Ti和Al原子的迁移, 有助于提高合金的稳定性和强度.     

Structure,stability and magnetic properties of (NiAl)n(n≤6) clusters

In this paper, density functional theory with generalized gradient approximation (GGA) for the exchange-correlation potential has been used to calculate the energetically global-minimum geometries and electronic states of (NiAl)_n(n≤6) clusters. Full structural optimizations, analysis of energy and frequency calculation are performed. The most stable structures of (NiAl)_n clusters are all three-dimensional structures except NiAl. The average bond lengths of (NiAl)_n clusters are larger than that of Ni_2n, and are smaller than that of Al_2n. The binding energy per atom of Ni_2n and (NiAl)_n has the same change trend, and that are larger than that of Al_2n. Stability analysis shows that Ni₈, (NiAl)₂ and Al₁₀ clusters have higher relative stability than other clusters. Mulliken analysis indicates that charges always transfer from Al atoms to Ni atoms, and the average charges of transfer from Al atoms to Ni atoms have a maximum at (NiAl)₆, implying the strong interaction between Al and Ni atoms in (NiAl)₆. The average atomic magnetic moments of (NiAl)_n are smaller than that of true Ni_2n. The analysis of the static polarizability shows that the electronic structures of (NiAl)_n clusters tend to be compact with the increase of atoms.     

Structural,electronic,and magnetic behaviors of 5d transition metal atom substituted divacancy graphene:A first-principles study

Structural, electronic, and magnetic behaviors of 5d transition metal(TM) atom substituted divacancy(DV) graphene are investigated using first-principles calculations. Different 5d TM atoms(Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, and Pt) are embedded in graphene, these impurity atoms replace 2 carbon atoms in the graphene sheet. It is revealed that the charge transfer occurs from 5d TM atoms to the graphene layer. Hf, Ta, and W substituted graphene structures exhibit a finite band gap at high symmetric K-point in their spin up and spin down channels with 0.783 μB, 1.65 μB, and 1.78 μB magnetic moments,respectively. Ir and Pt substituted graphene structures display indirect band gap semiconductor behavior. Interestingly, Os substituted graphene shows direct band gap semiconductor behavior having a band gap of approximately 0.4 e V in their spin up channel with 1.5 μB magnetic moment. Through density of states(DOS) analysis, we can predict that d orbitals of 5d TM atoms could be responsible for introducing ferromagnetism in the graphene layer. We believe that our obtained results provide a new route for potential applications of dilute magnetic semiconductors and half-metals in spintronic devices by employing 5d transition metal atom-doped graphene complexes.