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.     

BeO高压相变和声子谱的第一性原理计算

采用第一性原理方法计算了BeO在零温时的高压相变和三种结构在零温零压时的声子谱.相变的计算表明,在122GPa左右的压力下BeO会发生从纤锌矿(B4)结构到氯化钠(B1)结构的相变,而闪锌矿(B3)结构在零温零压下是一种可能的亚稳态结构.采用冷声子方法计算了这三种结构的BeO在零温零压下的声子谱.计算结果表明:B1结构在零温零压下是一种不稳定的结构;尽管B4结构和B3结构具有明显的相似性,仍然可以通过声子谱来很好的区分.最后根据准简谐近似理论计算得到了BeO的高温高压相图.     

Ce-La-Th合金高压相变的第一性原理计算

采用第一性原理计算对Ce_(0.8)La_(0.1)Th_(0.1)在高压下fcc-bct的结构相变、弹性性质及热力学性质进行了研究讨论.通过对计算结果的分析,发现了合金在压力下的相变规律,压强升高到31.6 GPa附近时fcc相开始向bct相转变,到34.9 GPa时bct相趋于稳定.对弹性模量的计算结果从另一角度反映了结构相变的信息.最后,利用准谐德拜模型对两种结构的高温高压热力学性质进行了理论预测.     

第一性原理研究压力对Fe2B的结构、机械性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了0～30 GPa压力下四方相Fe₂B的结构,稳定性和力学性质等.随着压力的增加,计算得到的晶格参数逐渐减小,所有结构均满足热力学稳定性,体积模量和剪切模量逐渐增大,韧性得到有效改善.硬度呈现先增大后减小的趋势,并在18 GPa压力时达到最大值,各向异性先增大后减小.德拜温度变化趋势与杨氏模量的变化趋势相同.同时还研究了相变结构——正交相的相关性质,结果表明其结构满足热力学稳定性但不满足力学稳定性,是否稳定存在还需要进行后续实验研究.     

第一性原理计算Fe从bcc到hcp结构的相变路径及其磁性边界

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了压力作用下Fe从bcc到hcp结构相变的势能面、相变路径以及相变过程中的磁性相边界.结果表明:与Burgers路径不同,相变过程中bcc结构(110)bcc面的剪切和相对滑移相互耦合,并伴随有(110)bcc面间距的减小;这一相变机制可以解释Fe的静高压实验中在相变初期观察到的hcp结构异常.因此,并不需要像Wang和Ingalls提出的那样,在相变过程中引入一个亚稳定的fcc相来解释这些实验结果.对相变势能面的计算表明剪切对相变的发生有激活作用.此外,分析表明相变过程中涉及复杂的磁性转变,相变过渡态位置正好位于磁性相边界上,并对原子磁性对结构转变影响的物理机制进行了讨论.     

第一性原理研究霰石的电子结构和光学性质

采用线性缀加平面波方法,研究了霰行的主要成分CaCO3的电子结构和线性光学特性,结果发现,霰石的主要成分CaCO3是一种具有直接带隙4.29119 eV的化合物,在这种化合物中,C原子的2s态和O原子的2s态杂化形成了阴离子[CO3]2-,并解释了介电函数虚部主要峰的形成原因,同时计算和研究了霰石的吸收系数、能量损失系数、折射系数和湮灭系数等光学性质.     

压力下超导RbBSi化合物的预测（英文）

对RbBSi化合物在0～100 GPa压力范围内进行了广泛的群体智能结构搜索。提出了RbBSi的3种不同相,并通过第一性原理计算了其稳定性、电子结构和潜在的超导电性。在所研究的压力范围内,所有预测相在热力学和动力学上都是稳定的。3个相的能带都穿过费米能级,表明结构具备金属性。此外,P4/nmm-RbBSi在常压下的超导转变温度为14.4 K。这项工作加深了人们对碱金属硼硅化合物在超导体领域的理解,有望拓宽碱金属硼硅化合物在超导体领域的应用。     

复杂材料高压性质的计算与模拟：基于第一性原理方法的部分进展

对基于第一性原理量子力学计算与模拟在复杂材料体系高压性质研究中的应用进行了简要回顾与综述,重点介绍了在合金、含缺陷材料以及电子强关联材料等复杂体系研究中的部分应用,并讨论了将量子力学原理与基于集团展开法、格子气模型、准模拟退火等物理模型相结合而发展出的一系列计算方法的优势与不足。本文所涵盖的内容仅仅是第一性原理计算方法从简单体系向复杂体系发展中的一小部分,但都具有一定的代表性,希望对发展更先进高效的具有预测能力的多尺度方法提供有益的参考。     

高压下CaF2结构相变和光学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了在压力作用下CaF2的结构相变和光学性质。结果证实了CaF2的压致结构转变的顺序是从氟石结构(空间群Fm3m)转变到PbCl2型结构(空间群Pnma),然后继续转变为Ni2In型结构(空间群P63/mmc)。在Fm3m和Pnma两种结构中,电子带隙随着压力的增加而增加,而在P63/mmc结构中,带隙随着压力的增加开始下降。实验结果显示,直到210 GPa,CaF2没有发生由绝缘体到金属的转变。据此推测,CaF2的金属化压力高于300 GPa。还讨论了压力对CaF2光学性质的影响。     

高温及高压下液体镓的结构——第一性原理分子动力学方法研究

采用第一性原理分子动力学方法研究了高温下正常密度和高密度液体镓的结构和性质。结果与有关实验事实相符合,发现液体镓中仍残留着共价键相结合的镓分子,随着密度的增加,结构因子主峰右边逐渐发展成为一肩膀。并从能量角度讨论了液体镓结构因子中出现肩膀的物理原因。 关键词：     

MgO高温高压特性及相变的第一性原理研究

应用第一性原理密度泛函理论计算了MgO在零温(0K)下和0~200GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,以及B1、B4和B8相结构的MgO的声速随压力的变化。利用准简谐近似下的Debye模型,通过拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程模拟了高温效应并对三个相在高温高压下的相稳定性做了研究。本工作的计算结果与前人的理论和实验结果符合较好,说明第一性原理结合准简谐Debye模型能够比较准确的模拟矿物如MgO在高温高压下的热力学性质。     

第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质

采用第一性原理研究了CdS的六方纤锌矿(WZ), 立方闪锌矿(ZB) 和岩盐矿(RS)相在高压条件下的相稳定性、 相变点、电子结构以及弹性性能.WZ相与RS 相可以在相应的压强范围内稳定存在, 而ZB相不能稳定存在.压强大于2.18 GPa时, WZ相向RS相发生金属化相变.WZ相中S原子电负性大于Cd, 且电负性差值小于1.7, CdS的WZ相为共价晶体.高压作用下, S原子半径被强烈压缩, 有效核电荷增加, 对层外电子吸引能力提高, 电负性急剧增大, 导致S与Cd的电负性差值大于1.7, CdS的RS相以离子晶体存在. WZ相的C₄₄随压强增加呈下降趋势, 导致WZ相力学不稳定, 并向RS相转变.当压强大于2.18 GPa时, RS相C₁₁, C₁₂随压强增加而增大, 并且C₄₄保持稳定, 说明RS相具有良好的高压稳定性与力学性能. 关键词： 第一性原理 相变 电子结构 弹性性质     

MgO高温高压特性及相变的第一性原理研究

应用第一性原理密度泛函理论计算了MgO在零温(0K)下和0~200GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,以及B1、B4和B8相结构的MgO的声速随压力的变化。利用准简谐近似下的Debye模型,通过拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程模拟了高温效应并对三个相在高温高压下的相稳定性做了研究。本工作的计算结果与前人的理论和实验结果符合较好,说明第一性原理结合准简谐Debye模型能够比较准确的模拟矿物如MgO在高温高压下的热力学性质。     

第一性原理计算航天新材料金属锆的压缩行为

在密度泛函理论的基础上,运用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)两种方法,并通过第一性原理等方法对锆晶体在0到50GPa下的物理性质进行了深入、系统的研究。结果表明,相比于广义梯度近似的计算结果而言,局域密度近似的计算结果和实验值更接近,但两者相差不是很大。并通过经典方法对锆晶体模拟计算了高压下的结构性质,得到的结果表明,在讨论的压强范围内,晶格参数与晶胞体积发生了非线性的变化,然而晶胞能量却随压强线性变化。通过对其相应的弹性性质的分析,发现随着压强的增大,锆晶体获得较好的延展性以及力学的稳定性。同时还得到了关于金属锆的能带结构特性及其光学性质,证实压强的改变对金属锆电子性质不会带来太大影响。     

基于第一性原理的石墨吸附一氧化碳倾向性研究

利用基于量子力学的第一性原理计算方法,从微观角度研究煤层对一氧化碳气体的吸附机理.根据煤层的基本成分及结构特点,用结构类似的石墨模拟复杂的煤层,建立石墨吸附一氧化碳分子的模型,讨论石墨表面的三种高对称吸附位置,分别是顶位（top位）、桥位（bridge位）、洞位（hollow位）对一氧化碳分子的吸附.结果表明：当一氧化碳分子垂直于石墨表面,且碳原子端靠近碳层时,在石墨（001）表面的桥位（bridge位）有较强的吸附能.     

基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索

非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的"炒菜式"实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.     

CoSi电子结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性扩展平面波法，首先对CoSi的晶胞参数进行优化计算，CoSi多粒子系统的最低能量为-134684297Ry，此时其晶胞处于最稳态，与最稳态对应的晶胞体积V0等于5899360a.u.3,晶胞参数为a=b=c=04438nm；然后计算了优化后的CoSi的电子结构及Si侧Al掺杂的CoSi075Al025的电子结构并分析了两者的电子结构特征，计算的CoSi电子能态密度与已有的计算结果整体形貌相同，但存在局部差异，Al掺杂后费米面发生了偏移；最后探讨了两者的电子结构对热电性能的影响，Al掺杂可提高CoSi的材料参数B，因此有望提高其热电性能. 关键词： 第一性原理 电子结构 热电性能     

高压下石榴子石结构和弹性的第一性原理研究

石榴子石是上地幔和地幔转换带的重要成分,掌握其高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成、结构以及动力学过程具有重要意义。为此,利用第一性原理计算了0～16 GPa压力下铝系列和钙系列常见的6种榴石(镁铝榴石、铁铝榴石、锰铝榴石、钙铬榴石、钙铝榴石和钙铁榴石)的晶体结构和弹性性质。结果表明:铝系列榴石的晶胞体积小于钙系列榴石;除镁铝榴石外,铝系列榴石的密度高于钙系列榴石。在石榴子石压缩过程中,多面体体积变化率由大到小依次为[XO_8]十二面体、[YO_6]八面体、[SiO_4]四面体,且变化率之比接近3∶2∶1,表明石榴子石的压缩机制主要受其结构中的十二面体控制。键角方差的变化表明:高压可以使钙系列榴石的四面体和八面体变得更加规则;而铝系列榴石则与其不同,高压下铝系列榴石的四面体变得更加不规则。研究发现:石榴子石的体弹模量随着铁铝榴石含量的增加而增大,随着钙铬榴石和钙铝榴石含量的增加而减小;而剪切模量则随着钙铝榴石含量的增加而增大,随着铁铝榴石和钙铬榴石含量的增加而减小。除镁铝榴石外,铝系列榴石的波速整体小于钙系列榴石。通过计算结果发现,石榴子石及其固溶体的波速在410 km附近与地球典型波速模型有交点,证明了石榴子石是地幔中的重要组分,且不同组成的石榴子石及固溶体的存在可能对地球地幔的波速结构产生重要影响。     

基于第一性原理计算的掺杂柔性黑硅吸收光谱特性分析

针对宽波段微型光谱仪缺乏宽波段柔性探测器这一难题,提出了一种在紫外-可见-近红外波段内具有高吸收效率的掺杂柔性黑硅作为探测器吸光材料。首先,基于第一性原理计算了S和F元素掺杂后柔性黑硅的电子结构、能带结构和紫外-可见-近红外波段的光学吸收特性,得到了不同元素及浓度掺杂时,柔性黑硅的光学吸收系数。其次,将第一性原理计算结果与时域有限差分算法相结合,建立了柔性黑硅的吸收光谱模型。结果表明,掺入S和F元素后柔性黑硅的能带带隙均减小,吸收截止波长发生红移,且掺杂浓度越高,光学吸收系数越大。在1 500 nm波长处,50%浓度的S元素掺杂黑硅的吸光系数是1.5%浓度的S元素掺杂黑硅的吸光系数的8.3倍,50%浓度的F元素掺杂黑硅的吸光系数是1.5%浓度的F元素掺杂黑硅的吸光系数的3倍。在相同掺杂条件下,表面具有小尺寸微结构的柔性黑硅在近红外波段具有最高的吸收效率。最后,测试了制作的柔性黑硅样品,其吸光效率在紫外-可见波段高于95%,在近红外波段为70%~80%。     

第一性原理计算Mn掺杂LiMgN新型稀磁半导体

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对纯LiMgN,Mn掺杂LiMgN,及Li过量和不足时Mn掺杂LiMgN的24原子超晶胞体系进行几何优化.分析体系的电子结构、磁性及光学性质.结果表明：Mn的掺入使体系产生自旋极化杂质带,表现出半金属性,且体系性质受Li计量数的影响.Li不足时体系的杂质带宽度减小,半金属性增强,净磁矩减小,居里温度降低.而Li过量时体系的半金属性减弱,杂质带宽度增大,带隙减小,导电能力增强,居里温度提高.光学性质分析发现由于Mn的掺入,体系在低能区出现新的介电峰,同时复折射率函数发生明显变化,体系对低频电磁波吸收加强,出现红移,且仅在Li不足时,能量损失减小且损失峰出现蓝移.