B32-LiAl点缺陷结构的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算B32-LiAl金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构.通过对不同点缺陷结构形成热与形成能的计算与比较,分析和预测了B32-LiAl金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式.结果表明:B32-LiAl金属间化合物的点缺陷主要是在Li子晶格上出现空位缺陷与在Al子晶格上出现反位缺陷.基于晶体总电子态密度与电荷密度分布等电子结构信息,对上述计算结果进行了初步分析.     

点缺陷对B2-NiAl力学与热学性能影响的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,计算了反位缺陷与空位对B2-NiAl力学与热学性能的影响．采用杨氏模量、剪切模量、弹性常数、Cahchy压力、泊松比、Debye温度、比热、热膨胀系数等参数评判反位缺陷与空位对B2-NiAl合金的延性、硬度及热学性能的影响．结果表明：NiAl,VNi均能提高B2-NiAl晶体的硬度而降低其本征延性,AlNi与vAl对晶体力学性能的影响可以忽略不计．点缺陷对晶体比热的影响均集中在Debye温度以下,在此温度范围内,4种点缺陷均能降低晶体的比热,降幅从高到低依次为VNi〉NiAl〉A1Ni〉VAl．而当温度高于1000K时,4种点缺陷对晶体比热的影响基本消失而使比热趋于同一数值25J／mol·K．当温度高于600K时,对晶体相对热膨胀系数影响较明显的点缺陷是vAl,与NiM前者使晶体的相对热膨胀系数提高,而后者使晶体的相对热膨胀系数降低．     

点缺陷对B2-NiAl力学与热学性能影响的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,计算了反位缺陷与空位对B2-NiAl力学与热学性能的影响.采用杨氏模量、剪切模量、弹性常数、Cahchy压力、泊松比、Debye温度、比热、热膨胀系数等参数评判反位缺陷与空位对B2-NiAl合金的延性、硬度及热学性能的影响.结果表明:NiAl,VNi均能提高B2-NiAl晶体的硬度而降低其本征延性,AlNi与VAl对晶体力学性能的影响可以忽略不计.点缺陷对晶体比热的影响均集中在Debye温度以下,在此温度范围内,4种点缺陷均能降低晶体的比热,降幅从高到低依次为VNi>NiAl>AlNi>VAl.而当温度高于1000K时,4种点缺陷对晶体比热的影响基本消失而使比热趋于同一数值25J/mol·K.当温度高于600K时,对晶体相对热膨胀系数影响较明显的点缺陷是VAl与NiAl,前者使晶体的相对热膨胀系数提高,而后者使晶体的相对热膨胀系数降低.     

MoTa合金点缺陷和迁移性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了B2型MoTa合金三种缺陷(空位、反位缺陷和自间隙原子)的形成和迁移机制。根据能量最小观点,三种缺陷形成由难到易程度依次为:反位、空位缺陷和自间隙原子。在MoTa合金的六种迁移方式中,尽管[1-11]一步跳所需迁移能最低,但其迁移结果打破了系统局部有序性。[010]一步跳和[011]一步跳迁移结果保持了系统局部有序性,但需较高的迁移能。所以[010]一步跳和[011]一步跳将分别被[010]共面六步跳或[100]不共面六步跳和[011]共面六步跳所替代。     

用VASP的Pseudopotential和Projector augmented-Wave方法计算Fe,Co和Ni的bcc,fcc和hcp结构磁性的比较

应用Pseudopotential(PP)和Projector augmented—wave(PAW)方法分别计算Fe，Co，Ni的bee，fcc和hcp三种晶体结构时的晶格常数，原子磁矩和总能量以及它们的关系。并对所得的结果进行了比较，得出了在进行有关磁性材料的结构和磁性方面的计算时，使用PAW方法比使用PP方法更可靠的结论，并指出了Fe，Co，Ni的bee，fcc，hcp这三种结构与磁性的关系。     

FeAl合金的LFS势及点缺陷性能计算

构建了Fe、Al及其合金的原子间Long-range Finnis-Sinclair(LFS)势,利用Fe、Al及其合金的晶格常数、结合能和体弹性模量等实验数据拟合了纯金属Fe、Al及合金FeAl的LFS势参数,从中选择一组最优参数.为了检验所构建的势在缺陷性能方面的表现,利用构建的纯金属及合金的原子间势计算了金属Fe、Al及合金FeAl的单空位形成能,结果表明,与Fe相关的单空位形成能的计算结果与实验结果及其他理论计算结果符合得很好.     

高压下金属钼弹性性质的第一性原理计算

本文利用基于密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA)方法,研究了过渡金属钼的晶体结构和弹性性质.零压下,计算所得的晶格常数(a=3.153)与实验值非常接近.与实验值比较,采用GGA+U(U=1.5,2,2.5eV)的方法,计算得到的晶格常数a不如GGA的计算结果.此外,我们利用广义梯度近似(GGA)方法计算了钼的弹性性质,得到零压下钼的弹性常数分别为C11=449.7GPa,C12=169.7GPa,C44=96.2GPa,与实验值符合得很好.高压下钼的弹性常数计算值和Duffy等人用X衍射实验测量的实验值(0～24GPa)相符.体弹模量B0计算值(B0=263.05GPa)和实验值(B0=262.8GPa)非常接近.计算发现,随着压强的增大,体弹模量和剪切模量比值B/G一直保持大于1.75,说明钼在所研究的压强范围内一直保持较好的延展性.最后,还研究了体弹模量B,剪切模量G,杨氏模量E,泊松比σ,压缩波速VS,剪切波速VL,弹性各向异性因子A和克莱恩曼参数ζ与压强的变化关系.     

Cr掺杂BN半金属铁磁性的第一性原理计算

在广义梯度近似下(GGA)采用第一性原理平面波赝势方法,对Cr掺杂的闪锌矿稀磁半导体(DMS)B1-xCrxN(x=0.062 5,0.125)的电子结构和磁性进行了研究.结果表明掺入磁性过渡金属Cr后的BN明显呈现出显著的半金属特征,Cr原子在较小的掺杂浓度下构成了中间带隙的深层能级,使得原胞中Cr原子的局域磁矩约3μB,并且不随杂质浓度变化而改变.在B1-xCrxN(x=0.125)体系多种替位构形中,N220型的Cr-Cr铁磁耦合态最稳定,其铁磁性主要是由双交换机制引起,这对在半导体工业中实现自旋载流子注入具有一定的理论价值.     

B2型TiSi合金点缺陷结构和力学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了B2型TiSi合金各种点缺陷结构的晶格常数、形成能、形成热和弹性性质。结果表明：Ti空位缺陷(VTi)和Si反位缺陷(SiTi)的形成能和形成热较小,在合金过程中较易产生;合金缺陷结构具有小的体弹模量和剪切模量;相对TiSi合金完美结构,缺陷结构的韧性较低。     

高压下KNN压电性能的第一性原理计算

针对面向声学煤矿传感技术的高性能无铅压电材料铌酸钾钠(KNN),外加力场是调控其电学性能的重要手段之一。为研究高压条件下KNN的压电性能变化规律,采用基于密度泛函的第一性原理计算方法研究了不同压力下KNN的晶格常数、相结构能量、电子结构、介电性能和压电性能,系统研究不同压力下KNN压电性能的变化机理,确定其最佳的压力工作点。结果表明：随着外加压力从0增加至21 GPa, KNN晶胞内晶格常数减小(原子间距离减小),电子结构中的能带带隙先减小后增大,电子结构电子云重叠程度增大和原子间静电作用增强。在外加压力15～18 GPa范围内,KNN从三方相R相转变为正交相O相,此时R相和O相自由能差值低,自由能分布更平坦,晶格在外场下更容易发生形变,NbO^-₆八面体也更容易发生畸变从而增强KNN压电性能。在外加压力为15 GPa下的KNN具有优良的介电性能和最大的压电性能e₃₃=7.2 C/m²,有利于提升声学煤矿感知技术从而充分保障煤矿井下工作面安全高效生产。     

金属热导率的第一性原理计算方法在铝中的应用

热导率是金属材料的一个基本物理性质,金属材料热导率的计算对理解和设计新型热电材料具有重要的理论意义。由于金属的热导率由声子热导率和电子热导率两部分组成,本文从第一性原理计算出发,并以金属铝为例,计算了铝的声子谱和电子能带结构,并结合徳拜模型、形变势模型和Drude自由电子气模型,分别计算获得金属铝在300 K下的声子热导率和电子热导率为4.8 W/m K和186.1 W/m K,该计算值与实验值较吻合。该研究为预测和设计新的热电材料提供理论支持。     

纳米管的第一性原理计算

基于Hartree-Fock和密度泛函理论(DFT)混合近似下的第一性原理计算,系列地研究了单壁碳纳米管(扶手椅管、锯齿管、手性管)和单壁氮化硼纳米管的杨氏模量、卷曲形变能以及电子能带结构.分析了单壁碳纳米管的管径、管型和能隙宽度对其杨氏模量理论计算值的影响,给出了纳米管管径和手性对卷曲形变能的影响.     

Ti与过渡族fcc金属二元合金的AEAM模型形成焓计算

运用普适AEAM模型理论，系统地研究了Ti与fcc金属组成的二元合金系统形成焓，并将计算结果同已有的试验结果的Ti-Cu系统进行了比较．结果表明，对于Ti-Cu系统，符合得比较好．从而说明，普适AEAM模型理论在研究Ti与fcc金属组成的二元合金的系统形成焓时是合理的．图2，参8．     

金属Ti热学性质第一原理研究

应用基于密度泛函与密度泛函微扰理论的平面波赝势方法计算一组不同晶格常数下六角密堆积(hcp)结构金属Ti的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能,由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算热膨胀系数、定容摩尔热容及定压摩尔热容与温度的关系,对热膨胀系数及定容摩尔热容的第一原理计算值与德拜理论计算值进行比较。结果表明:295 K下声子谱理论值与实验值除在[001]方向上的光学纵模有少量偏差外,其余部分符合得很好;hcp结构金属Ti有一定程度的各向异性热膨胀,沿c轴方向与a轴方向的热膨胀系数比值为1.5左右;热膨胀系数、定容摩尔热容及定压摩尔热容第一原理计算值在较宽的温度范围内与已有的实验数据相符;热膨胀系数的德拜理论值仅在室温以下温区与实验结果相符;定容摩尔热容的第一原理计算值与德拜理论值在中温区有少量偏差,在低温及高温区非常接近。     

氯化钠结构相变和弹性性质的第一原理计算

基于第一性原理平面波赝势密度泛函方法，研究了NaCl的高压结构相变和弹性性质．计算结果表明，在零温下NaCl从B1结构到B2结构的相变压强为29．7GPa,这与实验值和其它的理论计算结果符合的很好．利用准谐德拜模型，讨论了NaCl在0-70GPa范围内下的德拜温度θ、压缩波速度Vp和剪切波速度Vs．     

TiH_2电子结构和导电性的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的全势全电子线性缀加平面波方法,对储氢材料TiH2的电子结构进行了理论分析.计算得到的能带结构和态密度表明该化合物具有金属性的特点,但是Ti—H键有明显的共价键特征.因此可以理解其导电性小于金属Ti,这与实验观测符合得很好.     

Cr掺杂影响γ-TiAl金属间化合物力学性能的第一性原理计算

将合金化元素Cr掺入γ-TiAl体系中,研究其对γ-TiAl力学性能的影响.采用PBE构建模型,优化结构;通过CASTEP模块计算γ-TiAl各模型的晶格常数和弹性常数;采用位置选择能方法判断Cr的优先占位.实验结果表明：掺杂元素Cr倾向于占据模型中Al的位置,掺杂后γ-TiAl的硬度增大,延展性有所提高.     

羟基磷灰石生物材料的第一原理计算

通过密度泛函理论计算来研究原子尺度羟基磷灰石晶体结构和电子结构,结果表明,羟基磷灰石为P63空间群六方单胞,点阵参数为a=0.9302nm、b=0.9303nm、c=0.6770nm,α=90°、β=90°、γ=120°.单胞总态密度主要是由各原子s,P,d电子态组成,费米能级主要是氧的2p4轨道的贡献,表明单胞结构中氧的2p电子最活泼,将优化后结构的衍射图谱和实验衍射图谱进行了比较,匹配较好.     

黄铜矿半导体DMS的第一原理计算

为了寻找新的高Tc的稀磁半导体(DMS)，利用自旋局域密度泛函的第一性原理对3d过渡金属(TM=Ⅴ、Cr、Mn、Fe、Co或Ni)掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2(CdGeP2和ZnGeP2)以及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2(CuGaS2和CuGaSe2)黄铜矿半导体的电磁性质进行系统计算．结果发现：Ⅴ或Cr掺杂的Ⅱ-Ⅳ-V2将出现铁磁(FM)状态，而Mn、Fe或Co掺杂的Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2将出现反铁磁(AFM)状态，Ni掺杂时，DMS的磁性非常不稳定；在TM掺杂的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的DMS中，Cr、Mn掺杂的CuGaS2和CuGaSe3将表现为FM状态，而当V、Fe、Co或Ni掺杂时，Cu(Ga，TM)S2和Cu(Ga，TM)Se2则表现了AFM性质．Cr掺杂的Ⅰ-Ⅳ-Ⅴ2以及Ⅰ-Ⅳ-Ⅵ3黄铜矿半导体将可能出现较高的居里温度(Tc)。     

Mg_2Si金属间化合物的结构稳定性,热力学和力学性能的第一性原理计算

通过CASTEP软件包中基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Mg_2Si金属间化合物的平衡晶格常数、热力学参数和弹性常数.利用理论公式和分析方法以及经验公式推导了Mg_2Si的密度、结构稳定性、弹性模量、硬度和熔点等.晶格常数、热力学参数和弹性常数的计算值与实验值和理论值吻合,证实了第一性原理方法计算所得参数的正确性与可靠性.推导了Mg_2Si形成热和结合能,结果表明Mg_2Si易形成稳定化合物,具有较强的合金化能力.同时推导了密度ρ、弹性模量E、剪切模量G、体模量B、泊松比ν和各向异性参数A,结果与实验值和其他理论值吻合,证实了Mg_2Si具备低密度、高弹性模量、塑性差以及Mg_2Si相为脆性相的特性.利用经验公式预测了Mg_2Si硬度和熔点,证实其高硬度、高熔点的特性.