GaP相变及热力学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了闪锌矿和氯化钠结构的GaP的相变及热力学性质.对两种结构的能量体积曲线做公切线,得到了从闪锌矿到氯化钠结构的相变压力约为26.2GPa,与实验结果一致.通过准谐德拜模型得到了不同温度下体积和热膨胀系数与压强的关系,以及不同压强下热容与温度的关系.     

MgCu4Sn型稀土镁合金相力学和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计算方法,系统研究了典型立方结构合金相LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)的力学特性和热力学特性。根据广义胡可定律计算了合金相的单晶弹性常数;根据单晶弹性常数和Hershey’s averaging方法计算了合金相的多晶弹性模量、泊松比、Zener各向异性因子和德拜温度。采用基于准谐近似的Gibbs2代码计算了LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)合金相的吉布斯自由能、熵和等体热容与温度的关系。LaMgNi4的计算结果与其他文献计算结果及实验结果符合的很好。结果表明：LaMgX4 (X= Co, Ni, Cu)合金均为延展性、塑性和弹性各向异性材料。德拜温度按以下顺序递减：LaMgNi4>LaMgCu4>LaMgCo4。     

LiH的热力学性质及分子内部运动对体系热力学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了LiH在零温零压下的晶格常数、体弹模量,计算结果与实验值和其他理论计算值符合得较好.通过准谐德拜模型计算了LiH在压强为0-80GPa、温度为0-2000K范围内,体积膨胀率、热涨系数、德拜温度及定容热容随压强和温度的变化关系.最后,以代数方法（AM）和势能变分法(PVM)为基础,运用统计热力学理论计算了LiH分子内部运动对体系热力学性质的影响.     

二氧化碳热力学性质的理论计算

用HF、MP2、QCISD和B3LYP四种方法,在6-311G* *基集合水平上对气态CO2(X1Σg)分子全优化,可直接得到热力学性质熵S和定压热容CP,在这四种方法中,B3LYP方法算得的结果与实验值最吻合,其相对误差分别只有0.00%和-0.15%;CO2分子的生成焓包含电子焓(为-393.31 kJ.mol-1)和核部分焓(为1.653 kJ.mol-1)两部分,其生成焓相对误差为0.37%.结果表明,所用理论方法计算气态CO2分子在1atm下的热力学性质是可行的.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系.结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600 K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17％,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系. 结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17%,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质的第一性原理计算

 利用基于密度泛函的第一性原理,计算了高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质。计算结果表明：在压力作用下,TiN经历了从NaCl型结构到CsCl型结构的转变,转变压力为348 GPa;TiN的弹性系数随着压力的增加呈线性增加规律。此外,还给出了德拜温度和热容量这两个重要热力学量与温度和（或）压力的依赖关系。     

LiNH2 的晶格动力学、介电性质和热力学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,在局域密度近似下采用线性响应的密度泛函微扰理论计算了LiNH₂的晶格动力学、介电性质和热力学性质,得到了布里渊区高对称方向上的声子色散曲线和相应的声子态密度,分析了 LiNH₂的红外和拉曼活性声子频率,同时给出它的介电张量和玻恩有效电荷张量. 研究表明,LiNH₂存在小的各向异性,计算所得结果与实验值和其他理论值符合较好.最后,利用得到的声子态密度进一步预测了LiNH₂的热力学性质 关键词： 密度泛函理论 晶格动力学 热力学性质 第一性原理计算     

GaAs相变和热力学性质的密度泛函理论研究

利用平面波赝势密度泛函方法,对GaAs从闪锌矿结构到CsCl 结构的相变进行了理论研究.通过Birch-Murnaghan状态方程拟合闪锌矿结构GaAs的能量和体积,得到了GaAs的热力学性质.我们发现对 GaAs来说,闪锌矿结构通常比CsCl结构稳定,由闪锌矿结构到CsCl结构的相变压力在37.019 GPa左右.计算所得到的晶格常数、体弹模量及体弹模量对压强的一阶导数与实验值以及其他作者的计算值相符合.     

金红石结构TiO2结构和热力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法以及准谐德拜模型研究了金红石TiO2的结构和热力学性质。常温常压下所计算的晶格常数、体弹模量及其对压强的一阶导数与实验值和其他理论计算结果相符的较好。另外,我们还计算了体弹模量、热膨胀系数、热容与温度和压强的关系。     

First-principles study of the elastic and thermodynamic properties of thorium hydrides at high pressure

The high pressure behaviors of Th_4H_(15) and ThH_2 are investigated by using the first-principles calculations based on the density functional theory(DFT). From the energy–volume relations, the bct phase of ThH_2 is more stable than the fcc phase at ambient conditions. At high pressure, the bct ThH_2 and bcc Th_4H(15) phases are more brittle than they are at ambient pressure from the calculated elastic constants and the Poisson ratio. The thermodynamic stability of the bct phase ThH_2 is determined from the calculated phonon dispersion. In the pressure domain of interest, the phonon dispersions of bcc Th_4H(15) and bct ThH_2 are positive, indicating the dynamical stability of these two phases, while the fcc ThH_2 is unstable. The thermodynamic properties including the lattice vibration energy, entropy, and specific heat are predicted for these stable phases. The vibrational free energy decreases with the increase of the temperature, and the entropy and the heat capacity are proportional to the temperature and inversely proportional to the pressure. As the pressure increases, the resistance to the external pressure is strengthened for Th_4H_(15) and ThH_2.     

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.     

Theoretical investigation of the elastic,electronic, thermodynamic and optical properties of the zinc-blende structure AlN under high pressure

The elastic, electronic, thermodynamic and optical properties of the zinc-blende structure aluminum nitride (AlN) under high pressure have been investigated using first-principles calculations. The dependencies of the elastic constants, the bulk modulus, the shear modulus and energy gaps on the applied pressure are presented, and the results are in good agreement with comparable experimental and theoretical values. Also, the energy band structure and density of states under high pressure have been analysed. Furthermore, the optical constants, including the dielectric function, optical reflectivity, refractive index and electron energy loss, are discussed for radiation up to 50 eV.     

Predictions of mechanical and thermodynamic properties of Mg17Al12 and Mg2Sn from first-principles calculations

Using first-principles calculations, we predict mechanical and thermodynamic properties of both Mg₁₇Al₁₂ and Mg₂Sn precipitates in Mg–Al–Sn alloys. The elastic properties including the polycrystalline bulk modulus, shear modulus, Young’s modulus, Lame’s coefficients and Poisson’s ratio of both Mg₁₇Al₁₂ and Mg₂Sn phases are determined with the Voigt–Reuss–Hill approximation. Our results of equilibrium lattice constants agree closely with previous experimental and other theoretical results. The ductility and brittleness of the two phases are characterized with the estimation from Cauchy pressure and the value of B/G. Mechanical anisotropy is characterized by the anisotropic factors and direction-dependent Young’s modulus. The higher Debye temperature of Mg₁₇Al₁₂ phase means that it has a higher thermal conductivity and strength of chemical bonding relative to Mg₂Sn. The anisotropic sound velocities also indicate the elastic anisotropies of both phase structures. Additionally, density of states and Mulliken population analysis are performed to reveal the bonding nature of both phases. The calculations associated with phonon properties indicate the dynamical stability of both phase structures. The temperature dependences of thermodynamic properties of the two phases are predicted via the quasi-harmonic approximation.     

The representation of thermodynamic properties at high pressures

It is sometimes advantageous to have an expression for the Gibbs energy, G_m(T,P), from which one can analytically derive an expression for the Heimholtz energy, F_m(T, V_m). Such an expression is suggested for solid substances and it is shown how expressions for other physical properties can be derived from it.     

NO分子宏观气体热力学性质的理论研究

采用量子统计系综理论,研究了基态NO分子宏观气体摩尔熵、摩尔内能、摩尔热容等热力学性质.首先应用课题组前期建立的变分代数法(variational algebraic method, VAM)计算获得了基态NO分子的完全振动能级,得到的VAM振动能级作为振动部分,结合欧拉-麦克劳林渐进展开公式的转动贡献,应用于经典的热力学与统计物理公式中,从而计算得到了1000-5000 K温度范围内NO宏观气体的摩尔内能、摩尔熵和摩尔热容.将不同方法计算得到的摩尔热容结果分别与实验值进行比较,结果表明基于VAM完全振动能级获得的结果优于其他方法获得的理论结果.振动部分采用谐振子模型对无限能级求和计算热力学性质的方法有一定的局限性,应当使用有限的完全振动能级进行统计求和.     

闪锌矿GaN弹性性质、电子结构和光学性质外压力效应的理论研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,结合广义梯度近似(GGA)下的RPBE和局域密度近似(LDA)的CA-PZ交换-关联泛函对闪锌矿结构的GaN在高压的性质进行了系统研究. 计算结果表明:弹性常数、体模量、杨氏模量和能隙都具有明显的外压力效应,计算结果与实验值和理论值很好的符合. 同时利用计算的能带结构和态密度系统分析了GaN的介电函数、折射率、反射率、吸收系数和能量损失函数等光学性质及其外压力效应. 分析结果为GaN的设计与应用提供了理论依据. 关键词： 第一性原理计算 电子结构 光学性质 闪锌矿GaN     

铁磁材料GdN的电子结构和磁学性质的理论研究

作为寻找新型自旋电子学功能材料的尝试,文章详细研究了稀土化合物GdN的电子结构和磁学性质.通过第一性原理的理论计算,作者发现该材料的导电性质随体积增加有很大变化：从半金属态到准金属态,最后成为半导体.同时,施加压力能改变其载流子浓度和位于多数自旋态的电子和空穴的迁移率.对其磁交换参数随晶格常数变化的进一步研究和蒙特卡罗模拟表明,这个铁磁体系的居里温度可以通过加压或掺杂得到进一步提高,从而成为很有实用价值的自旋电子材料.     

铁磁材料GdN的电子结构和磁学性质的理论研究

作为寻找新型自旋电子学功能材料的尝试，文章详细研究了稀土化合物GdN的电子结构和磁学性质，通过第一性原理的理论计算，作者发现该材料的导电性质随体积增加有很大变化：从半金属态到准金属态，最后成为半导体．同时，施加压力能改变其载流子浓度和位于多数自旋态的电子和空穴的迁移率．对其磁交换参数随品格常数变化的进一步研究和蒙特卡罗模拟表明，这个铁磁体系的居里温度可以通过加压或掺杂得到进一步提高，从而成为很有实用价值的自旋电子材料．     

AlAs相变及热动力学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的全势能线性糕模轨函法研究了闪锌矿（B3）,NiAs（B8）和岩盐（B1）结构的AlAs的相变、结构性质以及热动力学性质.对B3-B8和B3-B1结构的能量体积曲线做公切线,得到了B3→B8相变压力为5.44 GPa,并预测到B3→B1相变压力为6.46 GPa.同时计算了高压下B8相的结构性质,结果显示当V/V₀≈0.7—1.05时,c/a基本保持恒定（仅有约 0.2%的波动）;当V/V₀≈0.4—0.7,c/a随着V/V₀的减小而近似线性地增大.通过状态方程拟合,得到了AlAs的相对体积V/V₀与压强P的函数关系,B8相的状态方程与实验结果符合很好.最后利用准谐德拜模型得到了AlAs的体弹模量B随压力P的变化关系以及不同压强下热容C_V与温度T的关系. 关键词： 相变 热力学性质 第一性原理