体心立方金属中间隙杂质原子组态的弹性研究——Ⅰ.间隙杂质原子的位置及扩散激活能

将金属视为一各向同性的、无限大的、均匀的连续弹性介质,利用弹性偶极子的概念,计算了在体心立方金属Fe,W,Mo,Ta,Nb中,间隙杂质原子C,N,O,H在四面体及八面体位置上的位置能。计算结果表明,除了H在W,Mo,Ta,Nb中是占据四面体位置外,其余的情况都是占据八面体位置,并求得了判定间隙原子是处在四面体抑八面体位置的临界半径。后一部分计算了间隙原子在八面体位置间扩散的激活能。所得的结论都与前人的实验结果较好地接近。     

NiAl和Cr材料中H原子间隙的第一性原理计算

通过第一性原理赝势平面波方法研究了氢原子在B2-NiAl和Cr合金中的占位以及对键合性质的影响. H在NiAl的富Al和富Ni八面体间隙杂质形成能分别为-2.365和-2.022eV,而在四面体间隙不稳定. H在Cr的八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为-2.344和-2.605eV. H在NiAl中的最稳定位置为富Al八面体间隙,而在Cr中的最稳定位置是四面体间隙. 可以预期H在B2-NiAl/Cr体系中主要占据Cr 的四面体间隙位置. 通过分析原子结构、电荷集居数、价电荷密度以及态密度,讨论了H对B2 关键词： NiAl/Cr双相合金 H原子 第一性原理     

H,O,N,He原子掺杂Al原子的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对Al中分别加入H,O,N和He原子后的晶体状态进行了研究.通过晶体结构和形成能分析比较了杂质原子占据不同位置的难易程度及对晶体稳定性的影响,并从态密度、电荷密度和电荷布居的角度,分析了其电子结构.结果表明:H、O和N原子占据金属Al的四面体间隙最稳定,而He原子主要占据金属Al的八面体间隙. O和N原子与Al原子具有强烈的共价作用,H原子与Al原子存在共价作用但相对较弱,而He原子与Al原子的相互作用以范德华力为主.进一步揭示了四种原子在金属Al中不同行为的电子机制.     

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一. 关键词： 金属Fe 间隙H原子 第一性原理 溶解热     

体心立方金属中间隙杂质原子组态的弹性研究 Ⅱ.间隙杂质原子间的相互作用能及其有序化

利用前文的结果,计算了在各种相对组态下间隙原子对间的相互作用能,与前人的理论及实验工作很好地符合。并由此设计了各种数目的间隙原子集团的稳定组态。后一部分利用所得的结果并仿照Cowley对置换式固溶体有序-无序相交给出的理论,研究了体心立方金属中间隙原子的有序-无序相变问题,并求得了O在Ta及Nb中相变的居里点,与实验结果相合。     

体心立方金属中间隙杂质原子组态的弹性研究——Ⅱ.间隙杂质原子间的相互作用能及其有序化

利用前文的结果,计算了在各种相对组态下间隙原子对间的相互作用能,与前人的理论及实验工作很好地符合。并由此设计了各种数目的间隙原子集团的稳定组态。后一部分利用所得的结果并仿照Cowley对置换式固溶体有序-无序相交给出的理论,研究了体心立方金属中间隙原子的有序-无序相变问题,并求得了O在Ta及Nb中相变的居里点,与实验结果相合。     

氦团簇及氦间隙原子在钨中的稳定性研究

首先采用分子动力学方法研究了在钨中预存氦-空位团簇（He_nV₂₂）后氦原子结合能与氦-空位比的关系。研究发现:当氦-空位比小于4.5时,氦原子结合能随氦-空位比呈线性减小趋势;当氦-空位比大于4.5时,氦原子的结合能随氦-空位比出现剧烈振荡的现象,这种现象是由于钨中预存氦-空位团簇随机挤出位错环使体系能量骤降所导致的。与此同时,氦-空位团簇周围出现了一些处于亚稳态的fcc结构和hcp结构的钨。为了研究氦团簇周围压强对钨基体相变的影响,本文利用第一性原理对钨的三种结构进行了高压相变计算,发现静水压力不能使钨的三种结构互相转变。另外,通过对bcc钨和fcc钨中四面体间隙氦原子和八面体间隙氦原子电荷密度差的计算,发现bcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性高于八面体间隙氦原子的稳定性,而在fcc钨中四面体间隙氦原子的稳定性弱于八面体间隙氦原子的稳定性。     

He原子掺杂铝材料的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了铝及铝晶胞间隙位置掺入He原子后体系的几何结构、电子结构、总体能量和电荷布居值.计算结果表明:随着氦在金属铝中逐渐形成,铝晶胞体系会发生晶格畸变,但总的趋势是He在铝体系的八面体位置的晶格畸变小于其在四面体位置的晶格畸变.He在铝晶胞八面体和四面体间隙的杂质形成能分别为1.3367 eV和2.4411 eV.由此可知,He在铝晶胞中最稳定位置是八面体间隙位置.同时,文中还从原子尺度层面分析了He原子在铝晶胞中的占位及其键合性质,讨论 关键词： 铝材料 第一性原理 形成能     

氧化锌中中性氮杂质第一性原理研究

以第一性原理计算为基础,研究了氧化锌中中性氮杂质的原子和电子结构、缺陷形成能等．根据计算结果,氮杂质为深受主,因此对氧化锌的p型导电性没有贡献．在各种中性氮杂质中,替代氧位的氮有最低的形成能和最浅的受主能级,在富氧条件下替代锌位的氮的形成能次之．氮间隙在四面体位置不稳定,会自动弛豫到kick-out结构．尽管氮可能会占据八面体间隙位置,但由于形成能过高因此其浓度会较低．同时还讨论了各种掺杂情形下的电荷密度分布,得到了自洽的结果.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论,深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响,结果表明：由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置;N掺杂ZnO会形成p型半导体;N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度,可以有效的促进ZnO对光的吸收;在可见光区,处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移,这与带隙的变化规律一致。     

γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理研究

不锈钢中氢脆问题一直是研究者们关注热点,然而至今为止,对于钢中合金元素及空位与H原子之间的作用机理依然不清晰.采用第一性原理方法研究了H原子在不同体系下γ-Fe(Fe₈H、Fe₇Cr/MoH、Fe₇H)的扩散激活能、扩散系数以及扩散过渡态,对比了H原子在不同体系γ-Fe中的扩散难易程度,并从电子结构层次解释其相互作用.研究结果表明,空位的存在会改变H原子在γ-Fe中的扩散路径.在含空位的晶胞中H原子稳定存在于空位附近的近四面体间隙中,并沿空位附近的四面体间隙或八面体到四面体间隙路径扩散. γ-Fe中空位对H原子的影响是局域性的,一方面是捕获H原子的陷阱;另一方面降低了H原子的扩散激活能,促进H原子的扩散.而Cr/Mo的掺杂会降低空位对H原子的束缚,也会抑制H原子的扩散.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响（英文）

本文采用密度泛函理论,深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响,结果表明:由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置;N掺杂ZnO会形成p型半导体;N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度,可以有效的促进ZnO对光的吸收;在可见光区,处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移,这与带隙的变化规律一致.     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响（英文）

本文采用密度泛函理论，深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响，结果表明:由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置; N掺杂ZnO会形成p型半导体; N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度，可以有效的促进ZnO对光的吸收;在可见光区，处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移，这与带隙的变化规律一致.     

单轴应变对H在α-Fe中占位及扩散的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H在不同单轴应变下α-Fe中的间隙占位,计算了H原子的溶解能、态密度、电荷差分密度和电荷布居.结果表明:不同单轴拉压应变作用下,H原子优先占据四面体间隙(Ts)位,且随着压应变减小、拉应变增加,H原子越易溶于α-Fe.压应变使得Ts位的H获得更多的电子,而拉应变减少了这种电荷转移.应用LST/QST过渡态搜索计算垂直应变方向的扩散.八面体间隙位是邻近Ts位H的扩散过渡态.扩散激活能与应变呈线性关系,且随着压应变的增加,扩散激活能降低,扩散更容易.     

基于第一性原理的含空位a-Fe和H原子相互作用研究

氢致裂纹是制约超高强度钢应用的关键问题,掌握扩散氢的分布行为有助于弄清氢致裂纹的形成机理.本文采用第一性原理方法计算了H原子占据α-Fe晶格间隙和空位时的情况,得到了晶体的稳定构型及能量,并据此分析了H原子在晶格间隙和空位中的溶解倾向;从Mulliken布居、电子密度分布、态密度分布等角度分析了H原子与α-Fe晶体间隙和空位之间的相互作用.结果表明:间隙H原子倾向占据α-Fe四面体间隙位,其1s轨道电子与Fe的4s轨道电子呈微弱共轭杂化;空位是强氢陷阱, H原子倾向占据空位内壁附近的等电荷面.在真空0 K条件下单空位最多稳定溶解3个H原子,且H原子之间未表现出自发形成H2的倾向;间隙和空位中的H原子溶入改变了Fe晶格内电子分布导致原子结合力弱化,并在局部区域形成反键.基于第一性原理能量计算结果开展热力学分析,分析结果表明大多数情况下间隙H原子都是H主要的固溶形式, H平衡溶解度计算结果与实际符合良好.     

带有碳杂质的钨中氢稳定性的第一性原理研究

应用第一性原理计算方法研究了碳(C)原子对钨(W)中氢(H)原子稳定性的影响. 本征W中, 当C-H间距离为～2.5 Å时, H的溶解能出现最低值, 此时为H最稳定的位置. W中存在空位时, 由于C的影响, H占据的最佳电子密度面值为0.10 Å^-3. 研究发现, W中单空位最多能容纳10个H原子, 且不能形成H分子, 不同于没有C存在的情况, 表明C对W中H稳定性存在很大影响. 此外, 当两个C原子存在于空位中时, H占据的最佳电子密度面值变为0.13 Å^-3.     

第一性原理计算研究金属Nb和间隙氢原子的相互作用

应用第一性原理计算方法, 研究了H在金属Nb体心立方晶格中的间隙占位情况, 并讨论了占位能和间隙大小的关系. 分析了H在间隙位和Nb金属晶格的相互作用, 并讨论了相互作用对电子结构的影响. 结果表明: 除了间隙大小直接影响溶解能的大小之外, H的1s电子和Nb的3d电子有比较强的成键作用, 也是导致H在Nb晶格中溶解能较低的一个重要原因. 估算了500 ℃ 下H在Nb晶格中的扩散系数大约为7.8× 10^-9 m²/s, 和实验结果基本符合.     

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.     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为。结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错。在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位。间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚。     

铝中氦原子行为的密度泛函研究

用密度泛函理论计算了大量He原子存在时He在金属铝中不同位置的能量,并在理论上预测了铝中的氦原子行为.结果表明,铝晶胞内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,其次是空位和位错.在fcc-铝的两种间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位.间隙He原子的迁移能很小,易于通过迁移在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚.