第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学, 发现在核幔条件(4000 K, 139 GPa)下, Ni是一种液态结构. 常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序, 在压强的作用下, 二十面体序有一个增加的过程, 当压强大于68 GPa后, 二十面体序的增强过程发生逆转, 大量的完整二十面体结构受到破坏, 缺陷二十面体急剧增加. 核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构. 我们计算了液态Ni的扩散系数, 其数量级大约为10^-9 m²/s, 与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同. 由于核幔边界条件下的高压作用, 液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢, 且在弛豫过程中出现了β弛豫.     

FCC中置换溶质原子快速扩散现象的机制

在面心立方(FCC)结构晶体合金中,某些置换溶质原子的扩散系数可以比基体原子的自扩散系数大几个数量级,例如Pb中的Ag和Au等;Ni中的S以及γFe中的B等等,一般观点认为,具有较快扩散系数的置换溶质原子是以间隙方式扩散的.目前这种观点被人们广泛引用,如1983年版的金属手册在介绍扩散机制时说:“有些溶质原子可能是以间隙方式固     

关于Ga的非晶态结构转变过程的模拟研究

关于由液态淬火制备的非晶态金属和合金结构转变微观过程的研究,一直是材料科学家十分关注的问题。但是,由于当前实验技术条件的限制,对于这样一种急冷过程,是很难用仪器进行精确测定的。然而,新近发展起来的分子动力学计算机模拟研究,对此却是一种非常有用的工具。本文以纯Ga为例,用500个Ga原子模拟其由熔态→过冷液态→非晶态的转变过程,观察其原子结构组态的变化,发现其微观结构有二个显著的特点:(1)与通常的液态及非晶态金属相反,随着温度的下降,与二十面体结构相关联的1551键数目愈来愈少,最后只有约百分之一了。(2)与此同时,与面心立方、六角密集结构相关联的1421,1422和1431键数目     

液态GaAs快速结晶过程中的微观结构演变

采用分子动力学方法对液态Ga As在1×10~(10) K/s冷速下的快速结晶过程进行模拟,并采用双体分布函数、原子平均能量、键角分布函数、二面角分布函数和可视化等方法对凝固过程的微观结构变化进行分析.结果表明:凝固过程中,Ga As的结晶温度T_c为1460 K,当温度高于T_c时,体系处于液态无规网络结构;当温度低于T_c时,Ga和As原子迅速形核结晶,形成闪锌矿为主的多晶结构,并在晶界处形成共晶格孪晶结构,其中晶界处形成一层纤锌矿结构.在温度低于520 K时,As原子偏聚形成简单立方结构As_8.     

单层WS2(1-x)Se2x中的有序相和无序相

调节组分和结构是调节二维材料的电子性质的重要手段.以WS_(2(1–x))Se_(2x)为例,通过理论计算研究了阴离子替代形成的过渡金属硫化物半导体合金.通过第一性原理计算结合特殊准随机结构(SQS)模型和团簇展开结构搜索(CE)法,探索了单层半导体合金WS_(2(1–x))Se_(2x)的有序相和无序相的热动力学特性.发现在x=1/3, 1/2和2/3时,有序相向无序相发生相变,相变温度分别为27, 28, 25 K.通过第一性原理能带计算和能带反折叠法,发现价带顶附近带边和导带底附近带边状态主要来源于W的d轨道,带隙随Se组分呈现线性变化趋势,与原子的有序排列或无序排列无关;同时发现电子和空穴的有效质量与原子的有序排列或无序排列密切相关.     

低压下一种新的聚合氮结构

聚合氮作为潜在的清洁高能量密度材料有望取代传统的C、H、O、N含能材料,但是已发现的聚合氮结构无法保存到常规条件下.因此,获得能够存在于近常规条件下的聚合氮结构是人们比较关心的问题.本文结合第一性原理计算和CALYPSO晶体结构预测方法对低压下氮的结构进行搜索.在30 GPa下发现了一种由氮链和类连五唑构成的聚合氮结构,其空间群为Cm.通过焓差曲线分析发现, Cm聚合氮在10～35 GPa压强范围是目前发现的聚合氮结构中最稳定的相结构,其焓值较已知的偏转立方氮(cg-N)结构、N_6和N_8结构都低.声子色散计算和弹性常数计算表明, Cm聚合氮具有晶格动力学稳定性和力学稳定性;分子动力学模拟表明, Cm聚合氮在常温下卸压到一个大气压仍保持结构稳定.这预示着高压下合成的Cm聚合氮可能被截获和保留到常温常压条件下.     

星际大移民(之六)

木星的主要成分是氢和氦,其比例类似太阳大气。在木星中心则有一个主要由铁和硅构成的固体核(那里的温度可达30 000°K),这个核心称木星核。核的外面是以氢为主要元素组成的厚层,称为木星幔。它又分为两层:第一层压力达300万个大气压以上,温度为11 000°K。高温高压使氢分子离解为独立的原子,高压又使氢处于液态金属氢状态。这一层从核向外延伸到46 000千米处;第二层延伸到70 000千米处,由液态分子氢构成。大气在这层之上再延伸1 000千米,直到云层。“根据木星的结构特点,我们可将木星具有岩体结构的木卫一劈开,将其中心挖空,制成一个口径为3 600     

我国深空探测研究深入火星和月球内部

<正>地球、火星、月球等具有显著的圈层结构,这是其形成与演化的结果;圈层结构因而记录了它们的形成和演化中诸多地质过程和环境变迁,如岩浆洋冷却、壳幔分异和核幔分异,以及气候和宜居性环境演变等.地球的圈层结构可分为外部圈层(水圈、生物圈、大气圈)和内部圈层(地壳、地幔、地核),地球各圈层间存在大规模的物质循环和能量交换.地壳物质可以通过俯冲过程到达地幔甚至是核幔边界,而核幔边界的热物质则能以地幔柱形式上涌至地表.本文着重探讨火星与月球的浅表层和深部结构探测及其未来可能的考量.     

CeO2-ZrO2系统的高压固态反应和性质

以化学共沉淀法制备的CeO2和ZrO2纳米微粒为前驱体, 在高压高温(3.1 GPa, 1073 K)下合成了单相Ce0.5Zr0.5O2面心立方固溶体, 固溶温度明显低于常压下的固态反应温度. 结构分析表明, 立方Ce0.5Zr0.5O2固溶体在773 K以下是热稳定的. EPR结果显示Ce0.5Zr0.5O2固溶体中Ce离子完全以Ce4+形式存在, 773 K退火也不引起Ce4+向Ce3+的还原. 阻抗谱测量表明固溶体是离子导体, 823 K时, 电导率 ? = 1.2×10?5 S/cm, 与纯CeO2在同温度下的电导率同数量级; 1123 K时, ? = 2.1×10?3 S/cm, 小于掺杂的氧化锆和氧化铈基电解质的电导率. 在高温区和低温区ln(σT )与1/T的关系满足斜率不同的两条直线, 但低温活化能小于高温活化能. 对实验结果进行了讨论.     

金属-类金属非晶态合金的结构与密度

一、前言 非晶态合金的密度与合金中原子排列的结构有直接关系,它是检验非晶态结构模型是否符合实际的主要标准之一,同时在计算磁性参数、弹性参数和比强度等参数时也需要知道密度的数据。因为目前对非晶态的结构还不十分清楚,所以只能从实验上测量密度,还没有理论公式计算密度,对实验上测出的密度数据也无法判断它的合理性和准确程度。 本工作应用菱面体单元模型,对Pd、Ni、Co、Fe基金属一类金属非晶态合金的配位     

山东临朐新生代地幔捕虏体中的流体/熔体包裹体：软流圈-岩石圈相互作用的信息

橄榄岩捕虏体中的流体(熔体)包裹体是研究地幔流体的最直接样品. 应用流体包裹体显微测温学和激光拉曼技术, 研究了山东临朐乔山地幔橄榄岩捕虏体中的各类流体(熔体)包裹体(早期富CO₂流体包裹体和碳酸盐熔体包裹体, 晚期富CO₂流体包裹体和硅酸盐熔体包裹体). 其中早期富CO₂流体包裹体多为高密度纯CO₂流体包裹体, 部分含有石墨, CO, N2, 菱镁矿等多种杂质. 两期流体包裹体的最小捕获压力分别为1.42 GPa和0.80 GPa. 由于碳酸盐熔体包裹体的寄主矿物主要是斜方辉石, 据此推测碳酸盐熔体的形成可能与CO₂流体和橄榄石、单斜辉石之间的反应有关. 富CO₂流体包裹体中杂质组分的多样性说明橄榄岩曾经经历与流体/熔体灌入有关的氧化还原反应. 乔山地幔捕虏体的流体(熔体)包裹体证据说明该区陆下岩石圈地幔曾经被软流圈来源的富CO₂流体/熔体所改造.     

模板法制备水凝胶微粒三维有序结构

以聚合物有序孔为模板, 制备异丙基丙烯酰胺/丙烯酸共聚物凝胶微粒的三维有序排列结构. 重点考察了其pH响应特性, 揭示其在可调光子晶体方面具有潜在的应用. 以有序凝胶为模板通过二氧化钛的溶胶凝胶过程, 制备了单分散二氧化钛微球三维有序排列结构, 并研究了其形成机理.     

LaTe_(2-δ)中电荷密度波及空位序调制结构扫描透射电子显微镜直接观察

高角环形暗场扫描透射电子显微技术(HAADF-STEM),不仅可以分辨晶体结构的空间原子分布,还可以直接显示晶体内原子种类的分布和缺陷结构;针对强关联材料,可以明确区别电荷密度波、空位序、离子序调制,对理解微观结构缺陷、局域对称性破缺具有重要意义.本文首先对稀土碲化物LaTe_(2-δ)体系结构调制进行了系统的透射电子显微镜分析,指出LaTe_(2-δ)中,除了q=(1/2)a*的公度电荷密度波调制,受缺陷掺杂调节的系列调制波矢为q=(1/2-α)a*的非公度电荷密度波调制,还存在调制波矢q_2=1/5(3a*+b*CDW)的超结构.高精度原子分辨HAADF-STEM实空间直接观察澄清,q_(CDW)和电荷密度波元激发伴随的单层Te原子层晶格畸变密切相关,q2调制结构的形成归结为单层Te原子层中的Te空位有序.HRTEM结果分析表明,LaTe_(2-δ)中,空位序的形成完全抑制了该体系的电荷密度波转变,两种调制结构以相分离的形式存在.     

汉诺坝下地壳-上地幔包体的岩石圈热动力学记录

对汉诺坝含石榴石下地壳-上地幔包体中主要矿物核部至边部的化学组成进行了详细的电子探针分析. 核部至边部的温度-压力变化表明麻粒岩包体记录了增温、增压作用; 核部温度>930℃的地幔包体表现出降温、降压特征, 核部温度<930℃的地幔包体的温度-压力变化不明显. 这些包体记录的最终压力主要为0.9~1.5 GPa. 个别麻粒岩包体向榴辉岩相过渡的岩石学特征可能属于增温、增压过程中麻粒岩向榴辉岩转变的中间产物. 综合已有研究, 我们认为这些包体记录的温度-压力变化反映了它们被玄武岩捕获前经历的一次重要的岩石圈减薄作用及之前的岩石圈加厚作用.     

FeSe单晶的高压研究进展

FeSe及其衍生化合物是近年来铁基高温超导领域的研究热点.在常压下,FeSe会首先在T_s=90 K形成非磁性的电子向列序,然后在T_c≈8 K出现超导电性;对FeSe施加压力会诱导长程反铁磁序,在更高压力下实现Tc≈37 K的高温超导.澄清高温超导与正常态电子向列序和长程反铁磁序的关系对阐明高温超导机理具有重要意义.针对这一问题,利用立方六面砧高压装置对FeSe单晶开展了较详细的高压电输运性质测量,取得了重要进展.首先,绘制了FeSe单晶完整的温度-压力相图,具体展示了电子向列序、压致长程反铁磁序和超导相随压力的演化关系,观察到圆拱形的反铁磁相界T_m(P),并揭示3种电子序之间的竞争关系;对应电子向列序和反铁磁序被压制的临界压力,FeSe的超导转变温度T_c呈台阶式升高,最终在Pc≈6 GPa实现了T_c~(max)=38.5 K的高温超导.高压霍尔效应测试表明,在2 GPa附近向列序的消失和反铁磁序的出现伴随着费米面重构,正常态从电子型载流子主导转变为空穴型主导,而且霍尔系数在P_c(即T_c~(max)附近出现显著增强,表明临界反铁磁涨落对实现高温超导具有重要作用.结合第一性原理计算,进一步证实FeSe在高压下存在电子型与空穴型费米面,支持与FeA s基高温超导体系类似的费米面嵌套机制,对统一理解FeSe基和FeAs基高温超导机理提供了重要依据.     

含CuZr相Zr_(49)Cu_(44)Al_7块体非晶合金复合材料高压下的稳定结构

制备了含CuZr纳米相的三元Zr49Cu44Al7块体非晶合金复合材料,该材料具有1.6%的弹性变形和1.78GPa的抗压强度,利用角散射同步辐射研究了该三元块体非晶合金复合材料高压下的结构变化.结果表明,室温下非晶合金基体直至40.8GPa仍保持稳定的非晶结构,没有压力诱发CuZr纳米相的消失或长大.根据Bridgman状态方程获得了该复合材料体弹模量B0为115.2GPa.     

地幔转换带橄榄石高压相变实验研究

橄榄石是上地幔的主要矿物之一,它的相变对于认识地幔不连续面的成因,整个地幔的物质组成和演化、地幔对流、俯冲板片深源地震等地球深部动力学问题具有重要意义.本研究使用中国地质大学地球深部研究实验室多面砧压机进行了2种成分的橄榄石(Fo100和Fo90)在压力为14.1～20GPa,温度为1400℃的相变实验研究.压力为14.8～15.6GPa时,Fo90和Fo100均转变为瓦兹利石(α);而在14.1GPa实验中,Fo90完全转变为瓦兹利石,Fo100则仍为橄榄石(α).瓦兹利石具有2种产状:破碎的粒状结构(粒度大于100μm)和微晶集合体(微晶粒度小于10μm).瓦兹利石拉曼谱图中显示722～723和917～919cm-1特征峰.随着压力升高,实验产物中出现更多的呈微晶集合体结构产出的瓦兹利石,表明实验压力离橄榄石相变边界越远,瓦兹利石成核密度越大,导致体系Gibbs自由能下降,高压相矿物颗粒生长受到抑制.但由于瓦兹利石成核活化能很小,因此实验产物中均有大量呈微晶集合体产出的瓦兹利石.实验产物的显微结构特征对解释陨石中出现瓦兹利石的产状提供高温高压实验启示.压力为19.5和20GPa时实验产物为林伍德石(γ),其中压力为19.5GPa的实验中Fo100中瓦兹利石和林伍德石共存.实验产物林伍德石为自形粒状(颗粒度为10～20μm),三联点结构发育.798和840cmμ1为林伍德石的拉曼特征峰.综合本次研究以及前人地震探测结果表明,中国东部上地幔复杂结构无法用单一的橄榄石体系相变来解释,其他矿物(如辉石-石榴石)的相变及其与橄榄石体系相变的相互影响可能导致了该地区上地幔具有复杂的结构.因此进一步开展复杂体系(如橄榄石+辉石体系)的高温高压相变实验研究,并在已有地球物理探测成果的基础上建立合理的地质-岩石学模型,对探讨中国东部地区上地幔复杂结构形成的物理机理,影响因素及其深部动力学机制具有重要意义.     

铁(Ⅱ)-羟肟络合物的穆斯堡尔谱研究

羟肟类化合物能与Cu、Ni、Co、Fe等形成稳定络合物。羟肟类配位体与金属离子的螯合反应是通过酚羟基氧原子及肟基氮原子实现的。在配位体的结构-性能关系研究中,对决定σ配键强度的配位原子电荷密度的贡献已被广泛重视。我们曾用Hückel分子轨道法计算配位原子的电荷密度及有关键序,并对它们在萃取金属离子反应中的贡献作了评价。文献中对金属原子反馈特性影响的研究尚少记载。Burger等认为,由3d~5—3d~(10)过渡金属与双肟或水杨醛肟衍生物所形成络合物的稳定性受σ配键与反馈键的支配。     

外核顶部刚性薄层探测

核幔边界作为固态地幔和液态外核的分界面, 是地球深部最重要的间断面, 界面两侧地震波速度和密度存在显著差异. 研究表明, 该界面上部的D”层存在较强的不均匀性和各向异性. 研究人员利用地震学的方法, 发现在某些区域D”层下部存在超低速区; 近年来更有某些学者提出外核顶部某些区域可能存在一个刚性(固体)薄层, 其剪切波速度约为1 km/s, 并认为形成该层的物理机制是在外核冷却过程中, 物质分异产生轻元素聚集在外核顶部从而发生固结. 分析了斐济-汤加地区深地震在美国4个主要台网(USarray, BK, US, CI)上记录到的PKKPbc波形, 发现存在前驱波, 从而证明非洲下部外核顶部可能存在核刚性层. 通过波形拟合确定了该核刚性层的厚度约为1 km. 非洲下部核刚性层与前人利用P4KP和ScP波形在其他区域得到的刚性层模型较为一致. 核刚性层的存在可能对核幔间的物质、能量、角动量耦合起到重要的影响.     

分子动力学中平行六面体的邻位算法

在分子动力学模拟中, Verlet列表法、元胞链接列表法和其他一些改进的算法已经被用来提高计算效率. 然而, 这些方法大部分应用在立方体系. 本文扩展了原始算法的应用领域, 使其适用于NP系综, 并可以在外载荷作用下进行系统仿真. 此外, 对于Metric-tensor的压强算法提出相应的标度矩阵, 使得邻位算法可以应用在新的压强算法上. 同时, 还针对平行六面体盒子提出了一种联合算法. 该方法综合了改进的Verlet列表法和元胞列表法的优点, 可以快速确定平行六面体盒子中每个原子的邻位原子, 从而提高仿真速度. 最后, 利用Lennard-Jones势函数的分子动力学模拟实验验证了本算法的有效性和正确性.