α-Fe氦缺陷及弹性模量的第一性原理研究

基于密度泛函理论, 针对聚变堆结构钢中子辐照后氦效应进行第一性原理模拟研究. 通过计算α-Fe中He缺陷形成能, 来分析不同类型He缺陷相对稳定性及磁性的影响, 并针对相对稳定的替位He缺陷, 计算氦缺陷对α-Fe弹性模量的影响. 结果表明: 磁性对替位氦缺陷影响较小, 结合态密度数据可知, 替位氦可能引起晶格常数增大和体模量降低, 且氦相对浓度减小可能会引起对弹性模量降低影响的弱化．     

稀土La在α-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了α-Fe的Σ3[110](112)对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在α-Fe中的占位倾向.结果表明,La在α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定.     

合金元素对α-Fe氢扩散行为影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H原子在α-Fe和α-Fe-Me(Me=Cr、Mo、Ni、Cu、Mn)晶胞中的扩散行为,建立了α-Fe和α-Fe-Me中氢扩散系数与温度间的关系表达式,探讨了合金元素Me对α-Fe中H扩散行为的影响作用.研究结果表明:合金原子Me与H原子间存在一定的键合作用,并且这种键合作用主要由Me价电子的d、s轨道与H的1s轨道所贡献;Cr、Ni、Cu、Mn元素将降低H原子扩散激活能,而Mo元素会提高氢扩散激活能,显著降低氢扩散系数,这说明添加适量Mo元素将有利于防止铁素体氢致开裂,这将对抗H₂S应力腐蚀新材料的设计提供一定理论依据.     

Fe-Cr-Ni合金中点缺陷形成及相互作用的第一性原理研究

奥氏体不锈钢由于具有良好的力学性能和耐腐蚀性,被广泛应用于核电工业。奥氏体不锈钢受辐照会产生多种点缺陷,进而影响材料力学性能。为了研究304NG奥氏体不锈钢中点缺陷的产生机理,以面心立方Fe-Cr-Ni合金为模型,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了多种点缺陷结构的晶格常数,形成能,结合能,扩散迁移及相互作用,并计算了γ-Fe中相应的的性质作为对照.研究结果表明：Fe空位和Fe-Fe <100>哑铃是Fe-Cr-Ni合金中容易形成的点缺陷.基于对这两种点缺陷的迁移能垒分析,发现Fe-Fe <100>哑铃要比空位更易迁移.在Fe-Cr-Ni合金中相邻Fe空位存在吸引作用,会促进孔洞的形成;Fe空位-Fe-Fe <100>哑铃及Fe空位-Fe-Cr <100>哑铃均存在较弱的排斥作用,此外,在第一近邻位置和第二近邻位置的八面体间隙Fe原子都会和空位结合,使体系恢复为完整晶胞.     

Al,Cr共偏析α-Fe晶界对其结合强度影响的第一性原理研究

在密度泛函理论的框架下,采用广义梯度近似(GGA)研究了合金化元素Al,Cr在α-Fe+(210)晶界共偏析的作用.结果表明Cr提高了Fe晶界结合,为韧性杂质;而Al减弱了晶界的结合,是脆性杂质.Cr不能够彻底地消除Al的脆化作用,反而使其脆性增强.基于偏聚能分析表明Cr能有效地抑制Al偏析到晶界,提高α-Fe的力学性能.     

KDP晶体本征中性点缺陷的第一性研究

 用第一性原理研究了KH2PO4(KDP)晶体中性本征点缺陷的形成能并计算了常温下点缺陷的浓度。计算得到中性填隙氢原子的形成能为2.05 eV,进而得到298 K下的浓度约为1.21×10^-17 mol/L。由于填隙氢原子在带隙中形成缺陷能级,并使能隙降低了2.6 eV, 因此消除填隙氢原子有利于提高晶体在355 nm附近的激光损伤阈值。计算得到的氧间隙、氧空位、钾空位和氢空位的形成能分别为0.60、5.25、6.50 和6.58 eV,常温下它们在晶体中也以较高的浓度存在。钾空位使晶胞体积增大约3.2%,并可能提高晶体电导率,从而降低光损伤阈值。P取代K的反位结构缺陷形成能尽管较低(4.1 eV), 但由于晶体生长溶液中P是以PO4四面体的形式存在,故此点缺陷的存在几率很小。     

α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—1...     

内在缺陷与Cu掺杂共存对ZnO电磁光学性质影响的第一性原理研究

采用基于自旋密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了Cu掺杂ZnO (简称Cu_(Zn))与内在缺陷共存对ZnO电磁光性质的影响.结果表明,Cu是以替位受主的形式掺入的;制备条件对Cu_(Zn)及内在缺陷的形成起至关重要的作用,富氧条件下Cu掺杂有利于内在缺陷的形成,且Cu_(Zn)-O_i最易形成;相反在缺氧条件下,Cu掺杂不利于内在缺陷的形成.替位Cu的3d电子在价带顶形成未占据受主能级,产生p导电类型.与Cu_(Zn)体系相比,Cu_(Zn)-V_O体系中载流子浓度降低,导电性变差;Cu_(Zn)-V_(Zn)体系中载流子浓度几乎不变,对导电性没影响;Cu_(Zn)-O_i体系中载流子浓度升高,导电性增强.纯ZnO体系无磁性;而Cu掺杂ZnO体系,与Cu原子相连的O原子,电负性越小,键长越短,对磁矩贡献越大;Cu_(Zn)与Cu_(Zn)-O_i体系中的磁矩主要是Cu的3d电子与Z轴上O的2p电子耦合产生的;Cu_(Zn)中存在空位缺陷(V_O,V_(Zn))时,磁矩主要是Cu 3d电子与XY平面内O的2p电子强烈耦合所致;Cu_(Zn)中存在V_(Zn)时,磁性还包含V_(Zn)周围0(5, 6)号原子2p轨道自旋极化的贡献;所有体系中Zn原子自旋对称,不产生磁性.Cu_(Zn)-V_(Zn)和Cu_(Zn)-O_i缺陷能态中,深能级中产生的诱导态是0-0 2s电子相互作用产生的.Cu_(Zn)模型的光学带隙减小,导致吸收边红移;Cu_(Zn)-V_(Zn)模型中吸收和反射都增强,使得透射率降低.     

铌对钨中氦行为影响的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法系统研究了合金化元素铌(Nb)对钨(W)中氦(He)溶解和扩散行为的影响.研究发现,Nb的存在显著降低了He在W中的溶解能,Nb可以作为W中He捕陷中心,在最稳定位置处Nb对He的捕陷能达到0.37 eV.通过电荷分析发现,这主要是因为Nb的存在引起了W中电荷密度的重新分布.而He在W中的扩散能垒将随着He—Nb间距离的缩小逐渐降低,这从动力学上表明He被Nb捕陷是可行的.因此,Nb的存在将有利于W中He的聚集成泡.     

Cr,Mo,Ni在α-Fe(C)中占位、键合性质及合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,采用广义梯度近似下的PW91泛函形式,计算了合金元素Cr,Mo,Ni固溶于α-Fe(C)的电子结构,从晶格畸变、结合能、态密度、重叠布居及差分电荷密度等计算结果出发探讨了合金元素在α-Fe(C)中占位、键合性质及其合金化效应,结果表明:Cr优先占据铁素体晶胞顶角位置,而Mo,Ni优先占据体心位置;Cr与晶胞的结合能最大,晶胞最稳定,Ni次之,Mo最低;Cr,Mo,Ni在晶胞中都存在金属键、共价键和微弱离子键的共同作用,成键轨道主要是Cr3d与Fe3d,Mo4d与Fe3d,Ni3d与Fe3d,C2p的交互作用形成的;Cr与晶胞原子间的键合作用强,晶胞的稳定性好,对增强钢材的机械性能帮助较大,Ni的键合作用较弱,但还是能保持晶胞的稳定性,Mo虽然键合作用强,但反键作用也非常强,使晶胞的稳定性大大降低,对钢材的机械性能危害较大.     

Ni-X-In(X=Mn,Fe和Co)合金的缺陷稳定性和磁性能的第一性原理研究

Ni-Mn-In是一种新型的磁控形状记忆合金, 它通过磁场诱导逆马氏体相变实现形状记忆效应. 实验中常围绕化学计量比Ni₂MnIn合金进行成分调整, 以获得适宜的马氏体相变温度与居里温度, 在这个过程中必然会产生多种点缺陷. 本文使用量子力学计算软件包VASP, 在密度泛函理论的框架下通过第一原理计算, 系统地研究了非化学计量比Ni-X-In(X=Mn, Fe 和Co)合金的缺陷形成能和磁性能. 反位缺陷中, In和Ni在X亚晶格的反位缺陷(In_X和Ni_X)的形成能最低, Ni和X反位于Y的亚晶格(Ni_Y和X_Y)得到较高的形成能. 因此, In原子可以稳定立方母相的结构, 而X原子对母相结构稳定性的影响则相反; 空位缺陷中最高的形成能出现在In空位缺陷, 再次肯定了In原子对稳定母相结构的作用. 此外, 详细研究了点缺陷周围原子的磁性能以及电荷分布. 本文的计算结果在指导实验中的成分设计和开发新型磁控形状记忆合金方面具有重要意义.     

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.     

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     

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

Cr,Mo,Ni在$lt;i$gt;α$lt;/i$gt;-Fe（C）中占位、键合性质及合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,采用广义梯度近似下的PW91泛函形式,计算了合金元素Cr,Mo,Ni固溶于α-Fe（C）的电子结构,从晶格畸变、结合能、态密度、重叠布居及差分电荷密度等计算结果出发探讨了合金元素在α-Fe（C）中占位、键合性质及其合金化效应,结果表明：Cr优先占据铁素体晶胞顶角位置,而Mo,Ni 优先占据体心位置;Cr与晶胞的结合能最大,晶胞最稳定,Ni次之,Mo最低;Cr,Mo,Ni 在晶胞中都存在金属键、共价键和微弱离子键的共同作用,成键轨道主要是Cr3d与Fe3d,Mo4d与Fe3d,Ni3d与Fe3d,C2p的交互作用形成的;Cr与晶胞原子间的键合作用强,晶胞的稳定性好,对增强钢材的机械性能帮助较大,Ni的键合作用较弱,但还是能保持晶胞的稳定性,Mo虽然键合作用强,但反键作用也非常强,使晶胞的稳定性大大降低,对钢材的机械性能危害较大. 关键词： 第一性原理 α-Fe（C）')" href="#">α-Fe（C） 键合性质 合金化效应     

腐蚀介质在γ-Fe (1 1 1)表面吸附的第一性原理研究

氯化物熔盐作为传热储热工质,在太阳能热发电系统中应用时会造成金属管道的腐蚀和失效,严重威胁系统的运行安全.本文采用第一性原理方法,构建了不同腐蚀介质(Cl原子、H原子、O原子、OH基团以及H₂O分子)在γ-Fe(111)表面的吸附微观物理模型,并阐明了其吸附性能.结果发现：Cl原子和H原子在γ-Fe(111)表面最稳定的吸附点位为Fcc位,O原子和OH基团最稳定的吸附位点为Hcp位,H₂O分子最稳定的吸附位点位Top位.另外,O原子在γ-Fe(111)表面的吸附能和得到的电荷数最大,分别为-8.073 eV和0.53.这为管道的腐蚀研究提供了理论支撑.     

α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为,建立了两相的H原子扩散系数与温度的关系式,对比了H原子在两相中扩散的难易程度,并结合2205双相不锈钢的氢致开裂试验对计算结果进行了实验验证.研究结果表明:H原子在α-Fe中所需扩散激活能较γ-Fe低,其容易在α-Fe的缺陷处聚集,并最终造成氢致开裂等严重后果;而2205双相不锈钢的HIC实验表明,裂纹在铁素体相中表现为穿晶型开裂,并且在传播过程中由于受到奥氏体相的阻碍,裂纹沿两相界面发展,表现出混合型开裂方式;综上所述,铁素体相更容易产生氢致裂纹,这进一步证实了本文计算结果的可靠性.     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

稀土La在$lt;em$gt;α$lt;/em$gt;-Fe中占位倾向及对晶界影响的第一性原理研究

本文采用重合位置点阵理论构建了 α-Fe的Σ3[110]（112）对称倾转晶界模型,通过基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了稀土La元素在 α-Fe中的占位倾向. 结果表明,La在 α-Fe晶界的杂质形成能最低,因而La原子倾向于占据晶界区;掺杂La前后的 α-Fe晶界电子结构计算结果显示,La占位于 α-Fe晶界会使体系中的电荷发生重新分配,将提供更多电子用于晶界区成键,使得Fe原子得到更多的电子,这将导致掺杂区原子间结合有离子化趋势,从而使La与晶界区相邻Fe原子之间的相互作用加强,也使晶界原子与晶界两侧Fe原子的键合加强,从能量角度解释了材料宏观力学性能变化的原因;计算同时发现,La加入后,也使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系的总能量,使晶界结构更为稳定. 关键词： La α-Fe')" href="#">α-Fe 晶界 第一性原理     

闪锌矿结构AlSb空位缺陷性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理的平面波超软赝势方法，计算含有锑空位和铝空位的电子结构，发现空位引起周围原子弛豫，晶体结构发生畸变。在此基础上研究了空位缺陷对闪锌矿型AlSb体系电子结构的影响，结果表明，铝空位缺陷使锑化铝费米能级降低，带隙变窄；而锑空位缺陷则使锑化铝费米能级升高，带隙变窄，同时，锑化铝的半导体类型由p型变为n型。对光学性质的研究发现，由于空位的引入使其邻近原子电子结构发生变化，使得空位缺陷系统光学性质的变化主要集中在低能量区域。