金属元素镁高压属性的第一性原理研究

通过第一性原理计算方法,研究了金属元素镁在高压下的电子属性。电子性质的计算指出,镁的三个高压结构体心立方（bcc）、面心立方（fcc）和简单六角（sh）都是金属相结构,但其金属性比常压结构六角密堆（hcp）弱;通过与镁常压电子结构比较可知,d带贡献的增加以及p-d杂化的增强可能是高压下镁金属性降低的一个原因。镁高压fcc和sh结构的电子局域函数（ELF）通过与常压hcp结构以及高压fcc、sh结构的ELF比较,发现镁的这两个高压结构的价电子被高度排挤到晶格间隙区域,这一特殊现象与其他碱金属和碱土金属元素锂、钠、钾以及钙相似。     

氧化镉高压物性的第一性原理计算

基于第一性原理平面波赝势密度泛函方法, 研究了CdO的高压结构相变和弹性性质. 计算结果表明, 在零温下CdO从B1 结构到B2 结构的相变压强为90.31 GPa, 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CdO在0-150GPa范围内下的压缩波速度、平均声速度和德拜温度.     

闪锌矿ZnSe电子结构的第一性原理

 采用基于密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理平面波赝势（PWP）方法,计算了闪锌矿结构ZnSe晶体的晶格常数、能带结构、态密度以及电荷布居,计算结果表明,闪锌矿结构的ZnSe是一种直接带隙半导体材料,其下价带主要由Zn 3d电子贡献,上价带主要由Se 4p电子形成,导带主要来自于Zn 4s电子以及Se原子最外层电子,Zn原子与Se原子之间形成的是包含弱离子键的共价键,净电荷值分别为0.14e和-0.14e。     

N掺杂p-型ZnSe电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理全电子势线性缀加平面波方法(FPLAPW),对N掺杂ZnSe晶体的几何结构进行了优化,从理论上给出了N掺杂ZnSe晶体结构参数并对中心Zn原子近邻和次近邻位N掺杂前后总态密度及分态密度进行了对比分析,讨论了不同Se位N掺杂对ZnSe晶体性能的影响,在次近邻掺杂中,晶体表现出更为优良的半导体性质.     

元素氯高压属性的第一性原理研究

应用第一性原理密度泛函理论,研究了元素氯在高压下的属性.电子能带的计算结果指出,在130GPa氯元素从常压的绝缘体结构转变为了高压下的金属结构,发生了金属化,此转变是由能带交叠引起的,此时氯的分子相并没有发生结构相变.结构定标法则也指出氯的金属化压力接近130GPa.电子局域函数清晰地显示出了电子局域的变化情况;高于130GPa时,分子周围的电子向分子间的位置发生转移,使得此结构显现出金属性.通过综合分析弹性常数随压力的变化情况可知,氯金属化是与压力大于130GPa时弹性常数C55的软化有关.     

高压下NaI弹性常数与声速的第一性原理计算

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论计算了碘化B1B33结构的弹性性质,计算了给定压强下能量最低构型然后利用胡克定律计算了弹性常数和体模量B. 第一性原理方法较其它方法的计算结果能与实验更好的吻合,并且利用该方法首次在不同压强下计算了碘化钠B1和B33结构的几个主要传播方向上的声速.     

Ta-C化合物物理性质的第一性原理研究

【目的】难熔金属碳化物具有优异的物理化学性能,可在众多领域中广泛使用。【方法】利用基于密度泛函的第一性原理方法对Ta-C二元体系中的TaC、Ta_2C、Ta_4C_33个金属间化合物的热力学、力学性质以及电子结构进行计算研究。【结果】本研究晶格常数计算值和实验值一致,形成焓以及弹性常数计算值和其他理论值吻合。弹性模量计算值表明TaC具有最高的体积模量、剪切模量和杨氏模量,也即其脆性最大;而Ta_2C各个模量最小,其延展性最大。电子结构和电荷密度差显示Ta的d态电子和C的p态电子有杂化的现象,并且Ta-C之间呈现离子键特征。利用德拜模型得到了3个化合物在高温高压下的热物理性质,随着温度的增加,体积模量减小,而热容以及热膨胀系数增大,其中热容在1 000K以上变化越来越小,最后接近杜隆-珀蒂极限值。随着压强的增加,体积模量增大,而热容和热膨胀系数减小。【结论】在3个化合物中,TaC的强度最高,脆性最大,而Ta_2C的强度最低,延展性最好。     

高压下BCC金属钨和钼力学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了体心立方金属钨和钼的体积、弹性常数、弹性模量、声子色散曲线以及广义层错能在0~100GPa压强下随压强的变化关系,并讨论了高压下两种材料的力学结构稳定性以及高压对材料韧脆性和剪切形变难易程度的影响.首先,通过0~100GPa压强下的弹性常数发现,两种材料在不同压强下的弹性常数皆满足材料力学稳定性的判定条件,而且两种材料在100GPa下的声子色散曲线中并没有出现虚频,因此两种材料的结构在0~100GPa压强下都是力学稳定的.此外,通过研究不同压强下体模量与剪切模量的比值B/G发现,两种材料的韧性随压强的增加而增强,并且Mo的韧性强于W.最后,通过研究两种材料的广义层错能、沿111密排方向的剪切模量G111以及材料的各向异性比A发现,随着压强增加,广义层错能和G111逐渐增大,A整体趋于1,这说明高压会使得111密排方向的剪切形变变得困难,而且同时也削弱了材料的各向异性.     

ZnO电子结构及高压相变的第一性原理研究

基于屏蔽交换的LDA方法研究了高压下B4及B1相ZnO的能带结构和态密度特性;使用GGA WC交换关联泛函,计算了B4,B3,B2和B1相结构ZnO的基态能量、晶格常数、体模量及其对压力的导数.计算结果表明：ZnO在从纤锌矿（B4）转变为岩盐（B1）结构的过程中,存在着一个亚稳平衡过渡相,即闪锌矿结构（B3）.计算得到的相变压Ptr表明：随着外压的增加,ZnO将依照B4→B3→B1→B2的路径发生一系列的结构相变,相变压依次为Ptr（B4→B3）=3.156 GPa,Ptr（B3→B1）=7.996 GPa,Ptr（B4→B1）=9.855 GPa,Ptr（B1→B2）=253.605 GPa.     

高压下Si的结构转变与弹性性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函的第一性原理,计算了在压力作用下Si的结构相变和弹性性质。晶胞总能的计算结果表明,Si在11.7 GPa压力下发生了从立方金刚石结构（Si-Ⅰ）到四方结构（Si-Ⅱ）的转变。能带结构和态密度的计算结果显示,Si-Ⅰ是具有间接带隙的半导体,带隙为0.71 eV,Si-Ⅱ呈现金属的能带结构特性;Si-Ⅰ和Si-Ⅱ费米面附近的能带结构主要来自于2p电子的贡献。高压下Si-Ⅰ的弹性系数计算结果表明,弹性系数C11,C12和C44均随压力的增加呈现线性增大的规律。     

s-III型低密度甲烷气体水合物物性的理论研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了s-III型水分子笼状结构和s-III型CH4气体水合物笼状结构的晶格常数、体弹模量等基本物性参数,发现在0~2.6 GPa压强范围内两种笼状结构均可以稳定存在,晶胞体积随着压强增大而近似线性减小. s-III型CH4气体水合物中由于CH4分子间的作用力导致甲烷水合物体积发生膨胀,但是体积增大幅度较小且比较均匀,平均增幅在3.97%左右. 最后根据能带结构和电子态密度计算结果发现s-III型CH4气体水合物为绝缘体,不具有导电性.     

半休氏勒合金LiMgAs结构和热力学性质的第一性原理计算

本文利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了Half-Heusler合金LiMgAs的结构性质以及热力学性质.所计算的晶格常数、弹性模量以及弹性模量对压强的导数均与实验及其他理论值相吻合.本文还计算了α、β和γ三种相的LiMgAs声子频率,发现没有虚频的α-LiMgAs热力学结构稳定,其他两相均有虚频,不稳定.本文通过准谐德拜模型,研究并获得了不同温度0～1500 K和不同压强0～70 GPa下的热膨胀系数、热容、熵、德拜温度和Grüneisen参数.我们发现,热膨胀系数、热容、熵和Grüneisen参数随温度的增加而增加,随压强的增加而减小;而温度和压强对德拜温度和弹性模量的影响和对上面其他物理量的影响恰好相反.另外,当温度高于1000 K时,热容值变化很小,遵循Dulong-Petit定律.     

第一性原理研究高温高压下TiB2的物理性质

采用第一原理方法计算TiB_2在高温高压下的物理性质.对结构参数、弹性常数、体积模量、能带结构、声子色散、热力学性质等进行了密度泛函理论计算.计算结果与其他实验和理论计算值吻合较好.通过对E-V曲线、声子色散曲线和态密度(DOS)的分析,证明TiB_2是机械稳定的.用B/G和泊松比的两种方法判断TiB_2为脆性材料.在准谐振德拜模型的基础上,计算分析了德拜温度Θ和热膨胀系数对温度和压强的依赖.并从不同压强下定容比热容随温度变化的曲线图中得出,在T=1300 K以后,c_V无限靠近Dulong-Petit极限.通过分析电子态密度,发现TiB_2具有金属性,并且随着压强的增大费米能级处峰值降低,赝能隙变宽,非局域化加大,共价键作用增强,从而也证明了晶体结构的稳定性.     

在高压下CrB4 的结构和电子性质的第一性原理计算

该论文对新合成超硬材料CrB4 的结构和电子性质从0 GPa到100 GPa的压力范围内,采用密度泛函理论下的第一性原理计算进行了详细的理论研究. 在零压力下的结果与现有的理论和实验值吻合得很好. 计算了CrB4 的结构,键长,B–B、Cr–B键的Mulliken重叠布居,态密度（DOS）和PDOS等随压力的依赖,并进行了讨论. 计算出的结构性质随压力的依赖表明,结构参数和CrB4 共价键对压力不敏感,有力地支持了CrB4化合物的高硬度是来自于B–B笼这一特点.     

First-principles comprehensive study of electronic and mechanical properties of novel uranium hydrides at different pressures

The systematic investigation on the U-H binary system up to 300 GPa has been performed by means of firstprinciples calculations in combination with the variable-composition evolutionary algorithm.Twenty uranium hydrides,including UH_x(x=1,2,3,4,5,6,7,8,9,17),U_2 H_y(y=3,5,7,13,15,17),U_3 H_8,U_3 H_(10),U4 H5 and U_4 H_9 have been found under different pressures.Besides thirteen compounds that are in nice agreement with previously reported structural search,new uranium hydrides in terms of the derived convex hull of the formation enthalpies have also been found in the present investigation.These seven novel compounds including CmcmUH_3, Fmmm-UH_4,R3 m-U_2 H_7,Pm-U_2 H_(15), Cm-U_3 H_8,C_2-U_4 H_9 and C2/m-U_4 H_5, are found to be dynamically and thermodynamically stable,and their stable pressure range has been determined.At last,the electronic and mechanical properties of these seven novel structures have further been calculated.     

Au-Ag合金纳米管填充碳纳米管特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,研究了Au-Ag合金纳米管同轴填充不同线径锯齿型(n, 0)碳纳米管所形成复合系统的稳定性、电子特性和力学性能.结果表明,内、外管间距约为4.20?的Au_xAg_(4-x)@(15, 0)复合系统为具有较大填充率的最稳定结构.能带结构分析表明,相对于自由Au-Ag合金纳米管复合系统的量子电导有所增加,电子态密度分析表明复合系统中的传导电子主要来源于内部Au原子和Ag原子的s电子以及外部C原子的p电子.相对于自由金属纳米管而言,碳纳米管的包裹使得金属纳米管的轴向拉伸临界应变和理想强度大大增加,有效地提高了其力学性能.     

铁的电子自旋相变对下地幔方镁铁矿光学性质的影响

本文采用第一性原理方法,计算了(Mg0.8125,Fe0.1875)O方镁铁矿理想晶体和含氧离子空位点缺陷晶体在下地幔压力范围内的光学性质.理想晶体吸收谱数据表明,与晶体场理论预测的结果一致,铁在高压下的电子自旋相变将导致方镁铁矿吸收光谱显著蓝移,从而使得近红外区域出现了透明的现象.然而,令人感兴趣的是,含空位缺陷晶体的结果与晶体场理论的结果有本质差别,却与实验观测一致:电子自旋相变将使得近红外区的吸收性显著增强.同时,含空位缺陷晶体的折射率结果显示,压力、波长以及电子自旋相变对下地幔方镁铁矿的折射率有较明显地影响.     

Tix-Nb1-x合金结构及弹性性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法详细地计算了高温高压下不同铌含量对Tix-Nb1-x (x=0, 025, 05, 075,1)二元合金的能量和结构的影响。结果表明,零温零压下不同铌含量下的三种稳定的合金组成结构分别为六角密堆结构Nb025Ti075,体心立方结构 Nb05Ti05和体心立方结构Nb075Ti025,所得的稳定的合金结构晶格参数与相关的实验值和理论值符合的很好。这样, 分别计算了在压强60GPa范围内的稳定的合金结构的弹性性质和弹性模量。