六方HfB2晶体的弹性和热力学性质的第一性原理计算

【目的】研究六方二硼化铪(HfB2)晶体的弹性和热力学性质。【方法】基于密度泛函理论,运用广义梯度近似超软赝势平面波方法,对六方 HfB2晶体的结构进行了几何优化。在压强0~200GPa范围内,对六方 HfB2的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量随压强的关系进行了第一性原理计算。在零压下,运用模守恒赝势下的有限位移理论计算了六方HfB2晶体的声子色散关系。根据准谐德拜近似,由声子态密度计算六方 HfB2的焓、熵、自由能和等容热容随温度的变化关系。【结果】当压强为0时,C11=606.70GPa,C12=100.29GPa,C13=141.72GPa,C33=480.01GPa,C44=272.40GPa,BH=272.70GPa,GH=244.09GPa,EH=564.00GPa,vH=0.115,且所有弹性常量随着外加压强的增大而增大。【结论】0~200GPa范围内晶体结构稳定,无相变发生。在零压下,由声子色散关系得到的带隙为3.36×1012Hz;焓与熵随温度升高而增大,自由能随温度增加而减小;等容热容随温度的升高而增大,逐渐趋近经典极限值。
     

氮化铪的弹性与热力学性质的第一性原理计算

运用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法对HfN晶体结构进行了几何优化,得到与实验值相符的晶格参数。在压强为0～150GPa范围内对HfN的弹性常量进行了计算,它们均满足晶体力学稳定性条件B=(C11+2C12)/3>0,说明在这个压强范围内晶体结构是稳定的。利用准谐德拜模型计算了HfN在温度为0～2 200K、压强为0～150GPa范围内的热力学性质。发现:等容热容、热膨胀系数和熵函数都随温度的升高而增大,随压强的增大而减小;而德拜温度随温度的升高而减小,随压强的增大而增大。     

闪锌矿型ZnS的电子结构与热力学性质的研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对闪锌矿ZnS晶体结构进行了几何优化,得到晶格参数为0.5413nm;在优化结构的基础上计算了电子结构,证明闪锌矿ZnS为直接带隙半导体,带隙为2.213eV;零温零压下的弹性常数为C11=98.04GPa、C12=55.34GPa、C44=48.49GPa及弹性模量B0=69.57GPa;根据德拜模型近似,由弹性常量计算了德拜温度为358.5K,并进一步得到摩尔定容热容随温度的变化关系,在高温下,热容接近杜隆-珀蒂极限.     

立方氮化硼的电子结构与热力学性质研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对立方氮化硼晶体结构进行了几何优化,得到晶格参数为0.359 3 nm;在优化结构的基础上计算得到带隙为4.654 eV,属于间接宽带隙半导体;零温零压下的弹性常数为C11=804.6 GPa、C12=161.2 GPa、C44=463.9 GPa及弹性模量B0=375.7 GPa;根据德拜模型近似,由弹性常量计算了德拜温度为1 924.8 K,并进一步得到定容热容随温度的变化关系,在高温下,热容接近杜隆—珀蒂极限。     

高压下3C SiC的电子结构、弹性与热力学性质

运用密度泛函理论的超软赝势平面波方法对3C SiC晶体结构进行了几何优化,得到与实验值相符的晶格参数,在压强为0～100GPa范围内对3C SiC的电子结构与弹性进行了计算,结果表明晶体结构是稳定的,且带隙随着压强的增大而减小。然后利用准谐德拜模型研究了3C SiC在温度为0～2100K、压强为0～100GPa范围内的热力学性质,结果表明其等容热容、热膨胀系数及熵函数都随温度的升高而增大,随压强的增大而减小,而德拜温度随温度的升高而减小,随压强的增大而增大。     

RbCaCl3晶体的弹性及热力学性质研究

运用第一性原理赝势平面波密度泛函理论的方法,并结合准谐德拜模型,对钙钛矿结构RbCaCl_3晶体的弹性性质和热力学性质进行研究。以优化的结构为基础,计算了在P=0GPa、T=0K条件下,RbCaCl_3晶体的晶格常数、弹性常数、体弹模量B和剪切模量G,与实验值符合较好;同时计算了RbCaCl_3晶体在零压下的B/G值,根据晶体力学稳定性条件首次推测出RbCaCl_3的相变压强约为10.5GPa。利用准谐德拜模型,计算得到RbCaCl_3在300K的德拜温度,并得到RbCaCl_3的相对体积、热容、热膨胀系数及德拜温度与压强和温度的关系;在高温时,其等体热容Cv接近于Dulong-Petit极限。     

硫化镁晶体的弹性与热力学性质的研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对MgS晶体结构进行了几何优化,得到了其晶格参数为0.522 78 nm;在优化结构的基础上计算出带隙为2.873 eV,属于间接带隙半导体;零温零压下的弹性常数为C11=134.02 GPa、C12=38.5 GPa、C44=53.9 GPa及弹性模量B0=70.3 GPa;根据德拜模型近似,由弹性常量计算了德拜温度为557.2 K,并进一步得到定容热容随温度的变化关系,在高温下,热容接近杜隆—珀蒂极限.     

硫化镁晶体的弹性与热力学性质的研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对MgS晶体结构进行了几何优化,得到了其晶格参数为0.522 78 nm;在优化结构的基础上计算出带隙为2.873 eV,属于间接带隙半导体;零温零压下的弹性常数为C11=134.02 GPa、C12=38.5 GPa、C44=53.9 GPa及弹性模量B0=70.3 GPa;根据德拜模型近似,由弹性常量计算了德拜温度为557.2 K,并进一步得到定容热容随温度的变化关系,在高温下,热容接近杜隆-珀蒂极限.     

BaLiF_3晶体的弹性及热力学性质研究

运用第一性原理赝势平面波密度泛函理论的方法,结合准谐德拜模型,对钙钛矿结构BaLiF_3晶体的弹性及热力学性质进行研究.以优化结构为基础,计算了在p=0GPa、T=0K条件下,BaLiF_3晶体的晶格常数、弹性常数、体弹模量和剪切模量,它们与实验值及其他理论值相符很好.计算了BaLiF_3晶体在零压下的B/G值,根据晶体力学稳定条件得出BaLiF_3的相变点约为186GPa.利用准谐德拜模型,计算得到BaLiF_3在300K的德拜温度,并得到BaLiF_3的体积、热容、热膨胀系数α、相对德拜温度与温度和压强的关系.在高温时,其热容接近Dulong-Petit极限.     

CuAlSe2在高压下结构、弹性、热学性质的第一性原理计算

本文中我们运用第一性原理平面赝势密度泛函理论,研究了四方晶体CuAlSe2的结构、弹性性质以及热力学性质。首先通过状态方程拟合找到零温零压时的平衡体积、晶格常数、体弹模量B0以及其对压强的一阶导数 。接着分析了相对晶格常数a/a0 、c/c0以及相对体积V/ V0随压强的变化趋势。我们也研究了弹性常数随压强增大的变化趋势,C11、C33、C12、C13随着压强的增大而增大,C44和C66确随着压强的增加保持一个平稳的值基本不变。计算也表明在15GPa以前CuAlSe2的弹性常数都满足力学稳定性,表明在15GPa以前都不发生相变,与实验结果相吻合。在零温零压下我们计算得到的弹性常数和体弹模量和其它理论值实验值都比较符合。然后根据准谐德拜模型,我们分析了热膨胀系数以及比热容随压强和温度的变化关系。最后我们分析了CuAlSe2晶体在零温零压和高压下的态密度图,简单了解了一下电子结构的变化情况。     

高压下BeSe相变和热力学性质第一性原理研究

利用密度泛函理论研究了BeSe的相变、晶格动力学和热力学性质.计算得到的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好.焓的计算结果表明在压强为57.68GPa时BeSe会发生从闪锌矿(ZB)结构到砷化镍(NiAs)结构的相变,与实验值56±5GPa较吻合.BeSe的声子色散曲线计算表明零压下ZB结构满足动力学稳定性,而在高压下ZB结构的动力学稳定性将消失.基于准简谐近似方法,还成功预测了BeSe的热容、热膨胀系数和熵随着压强和温度的变化关系.     

CaF_2晶体弹性与热力学性质的研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对CaF2晶体结构进行了几何优化,得到其晶格参数为0.548 0 nm。在优化结构的基础上计算了零温零压下的弹性常数,得到C11=154.4 GPa、C12=38.2 GPa、C44=29.9 GPa及体弹性模量B0=76.9 Gpa。根据德拜模型近似,由弹性常量计算德拜温度为489.6K,在高温下,热容接近杜隆-珀蒂极限。     

CaF2晶体弹性与热力学性质的研究

利用第一性原理超软赝势平面波的方法,对CaF2晶体结构进行了几何优化,得到其晶格参数为0.548 0 nm。在优化结构的基础上计算了零温零压下的弹性常数,得到C11=154.4 GPa、C12=38.2 GPa、C44=29.9 GPa及体弹性模量B0=76.9 Gpa。根据德拜模型近似,由弹性常量计算德拜温度为489.6K,在高温下,热容接近杜隆-珀蒂极限。     

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.     

碳化铪的弹性与热力学性质

运用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法对HfC晶体结构做了几何优化,得到与实验值相符的晶格参数,在压力为0～300GPa时对HfC的弹性常量做了计算,结果表明晶体结构是稳定的;利用准谐德拜模型研究了HfC在0～300GPa压力和0～3 800K温度下的热力学性质,得到:HfC晶体的等容热容、热膨胀系数和熵随温度的升高而增大,随压力的升高而减小,德拜温度随温度的升高而减小,随压力的升高而增大.     

CuAlSe_2在高压下结构、弹性、热学性质的第一性原理计算（英文）

本文中我们运用第一性原理平面赝势密度泛函理论,研究了四方晶体CuAlSe_2的结构、弹性性质以及热力学性质.首先通过状态方程拟合找到零温零压时的平衡体积、晶格常数、体弹模量B0以及其对压强的一阶导数B0′.接着分析了相对晶格常数a/a0、c/c0以及相对体积V/V0随压强的变化趋势.我们也研究了弹性常数随压强增大的变化趋势.计算也表明在15GPa以前CuAlSe2的弹性常数都满足力学稳定性,在15GPa以前都不发生相变,与实验结果相吻合.在零温零压下我们计算得到的弹性常数和体弹模量和其它理论值实验值都比较符合.然后根据准谐德拜模型,我们分析了热膨胀系数以及比热容随压强和温度的变化关系.最后我们分析了CuAlSe_2晶体在零温零压和高压下的态密度图,简单了解了一下电子结构的变化情况.     

高压下CaSiO_3钙钛矿的从头算研究(英文)

利用考虑声子效应的准谐近似Debye模型势结合基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了高温高压下CaSiO3钙钛矿的热力学性质.在常温常压下CaSiO3钙钛矿的状态方程与实验结果吻合得很好.获得了压强上升到150GPa,温度上升到2000K时CaSiO3钙钛矿的热力学参量体积模量、热膨胀和热容与温度和压强的关系.     

ZrN的力学和热力学性质的第一性原理

利用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,研究了fcc-ZrN的平衡态性质、不同压力下的弹性性质及热力学性质.通过对焓压关系、弹性性质的分析,推测fcc结构到bcc结构ZrN的相变发生在208~220GPa之间.进一步分析了fcc-ZrN在不同压力下力学的各向异性,得到了压力对ZrN力学性质的影响关系.计算分析了fcc-ZrN的热力学性质.研究结果表明:力学各向同性随压力增大明显减弱;一定温度下,热容随压力增加而减小;德拜温度随着压力增加而增大;低压区温度影响较大,高压区压力影响较大.     

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.     

二氮化铂高压结构相变,弹性和热力学性质的第一性原理计算（英文）

运用密度泛函理论广义梯度近似方法计算了PtN_2在莹石结构(C1),黄铁矿结构(C2),白铁矿结构(C18),CoSb_2结构,简单六角结构(SH),简单四角结构(ST)和层状结构(LS)的结构参数,弹性性质,电子结构和热力学性质.计算了平衡态晶格参数,体模量和它的一阶导数.计算得到人焓表明,最稳定的结构为C2结构,其他的为亚稳态结构.而在我们研究的压强范围内没有发生相变.C2结构的态密度表明它是一种具有1.5eV带隙的半导体.另外,我们还预测了杨氏模量,泊松比和各向异性因子.弹性常数,体模量,切变模量,横向声速和剪切声速随着压强的增大而单调增大.德拜温度,热膨胀系数和热容随压强增大而增大.