锆酸锶材料能带结构的第一性原理研究

采用广义梯度近似下的密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法,精确计算了钙钛矿材料SrZrO3立方相、正交相的电子结构.计算结果表明,SrZrO3立方相、正交相都是直接带隙,对带隙起主要作用的是Zr的4d态和O的2p态,它们的大小分别为3.53,3.72 eV.SrZrO3由立方相到正交相时Sr—O和Zr—O之间的杂化增强,间接增强了ZrO6八面体的畸变,降低了体系的总能量,有利于正交相的稳定.     

Gd2-xNdxZr2O7烧绿石的高温高压快速合成

为了探索模拟三价锕系核素在Gd2Zr2O7基材中的快速固化方法,按照化学计量关系Gd 2-x Nd xZr2O7(x=0.42和x=0.86)设计配方,以Gd2O3,ZrO2和Nd2O3(Nd3+作三价锕系核素替代物)粉体为原料,进行了高温高压合成实验。制备的样品通过X射线衍射分析和扫描电镜分析表明:在压力分别为3 GPa,3.5 GPa,4 GPa,温度为1 573 K,1 673 K条件下保温保压15 min,获得了单相烧绿石结构的Gd 2-x Nd xZr2O7致密烧结体。该方法可为锆基烧绿石陶瓷固化锕系核素提供一种快速高效的技术途径。     

高压引起C掺杂CaO材料磁性变化的第一性原理分析

为研究C掺杂CaO材料的磁性随压强的变化关系,利用第一性原理研究方法中的密度泛函理论(DFT),结合广义梯度近似(GGA),分别对无压力情况下CaO和Ca4O3C材料以及高压条件下Ca4O3C材料的能带结构和电子态密度进行计算,并分析压强与Ca4O3C磁矩、体积和总能量三者的关系.结果表明:C的掺入使CaO材料产生磁性,且在无压力条件下Ca4O3C材料的铁磁性最强,随着压强的逐渐增加,Ca4O3C的铁磁性随之减弱,并在475GPa时完全消失,完成磁性相变,由铁磁态(FM)转变成非铁磁态(NM).Ca4O3C材料的铁磁性可用双交换机制和杂化轨道理论解释,且由此可知含C掺杂的CaO材料的铁磁性比较稳定.     

MoO_3高压电输运性能研究

利用DAC原位测量技术,研究了Mo O3电阻率和高压阻抗随压力的变化规律.电阻率在10.6 GPa和20.8 GPa时出现不连续变化,对应着Mo O3由正交相到单斜相(P21/m)再到单斜相(P21/c)的结构相变.压力低于10.6 GPa时,电阻率随着压力的增大而减少;单斜相(P21/m)的电阻率随压力增加而增加;压力高于20.8GPa时,电阻率随压力增加而减小.通过拟合复阻抗谱,得到了晶粒电阻随压力的变化规律.晶粒电阻在10.6GPa出现不连续变化,对应着Mo O3由正交相到单斜相(P21/m)的结构相变.正交相晶粒电阻随着压力的增大而减少.     

压力及缺陷对蓝宝石电子结构影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的平面波超软赝势方法,计算了蓝宝石在三种结构相(Corundum相、Rh2O3(II)相、CaIrO3相)下的晶格参数随压力变化的关系,并得出了不同压力下的晶格常数间的比值。同时还计算了在131.2 GPa压力下不同点空位缺陷(VO+1、VO+2、VAl-1、VAl-2、VAl-3)对80个原子的超原胞AL2O3(CaIrO3相)晶体参数影响。最后为了进一步分析蓝宝石的电子结构,本文还计算了131.2 GPa压力下的AL2O3(CaIrO3相)下的理想晶体和含+2价氧空位时的总和分态密度,并将二者作了对比,结果表明+2价氧空位存在时有电子缺陷态出现。     

IrN的结构相变和弹性性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合广义梯度近似(GGA)计算了IrN的结构相变和弹性性质,分别对IrN的岩盐(B1)、氯化铯(B2)、闪锌矿(B3)、纤锌矿(B4)、NiAs(B8)和tungsten carbide(Bh)这6种结构进行了分析,并根据理论计算得到的焓与压强的关系,发现了IrN的相序是B3→B4→B8→B2,相变压强分别发生在1.98 GPa,97.90 GPa和296.64 GPa.通过对B4结构在高压下的弹性特性进行研究,发现其弹性常数、体弹模量、剪切模量、纵波波速、剪切波速以及德拜温度均随压强的增加而单调增大,且依据B/G分析,预测了B4结构能在高压下保持一定的韧性特性.     

低温烧结Al2O3/3Y-TZP复合材料的力学性能

采用可低温烧成的高活性Al2O3以及ZrO2(x(Y2O3)=3%)粉料制备了m(Al2O3)m(3Y-TZP)=8515的复合材料.经成型后的试样在常压、1 350～1 500℃温度下2 h烧成,在1 425℃的相对低温下烧成就可获得相对密度大于0.99的烧结体.利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分别对试样的相组成和显微结构进行分析,研究了相组成和显微结构对Al2O3/3Y-TZP复合材料的力学性能的影响.分析结果表明,在1425℃温度下烧成的复合材料具有了最佳的力学性能,其抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别达到856 MPa,7.4MPa·m1/2和16.4GPa.     

高温高压下α-Si3N4的相变

在压力为5.2～5.7GPa,温度为1100～1300℃,保温保压时间为15min的条件下,对添加有Y2O3、Al2O3助剂的α-Si3N4微粉进行了高温高压烧结实验,以探索α-Si3N4的相变.对样品进行了X射线衍射、扫描显微观察及密度测量.实验结果表明,α→β相转变开始于1100～1200℃之间,其相转变程度随温度、压力的升高均有所提高,在5.7GPa/1300℃时,发生完全的相转变.相转变完成的烧结样品由长柱状β-Si3N4晶粒组成,晶粒间相互交错,结构均匀致密,断面有明显的晶粒拔出现象.根据实验数据拟合了大致的两相相界方程,并讨论了相关的相变机制.     

ZnCr_(2-x)Fe_xO_4系列化合物的合成及其性质表征

采用固相法合成了尖晶石结构的ZnCr2O4以及铁取代的系列尖晶石结构化合物,利用X线衍射、红外光谱和磁性测量对该系列化合物进行了表征.结果表明:这些化合物属于面心立方,空间群为Fd 3m,晶胞参数a=0.832 4～0.835 6nm,并且晶胞参数随着掺铁量增大而增加.红外光谱中出现了四面体和八面体吸收峰,而且这2种多面体的吸收峰的波数随着铁含量增加逐渐向低波数方向线性移动.系列化合物的磁矩随磁场的增大而增加,其饱和磁化强度与各向异性场随着铁掺入量增加呈现相反的变化.自发磁化强度随晶粒增大而近乎线性减小.各向异性场的测定表明ZnCr2O4属于软磁性化合物.     

4GPa下固体等温状态方程的测定

本文在活塞—圆筒装置下,通过测量活塞位移的方法,测定了Bi_(1-2)和Bi_(2-3)的相变压力及4GPa下的铝和石墨的等温状态方程。我们的结果与Kennedy等人的结果相当一致。     

冲击-斜波加载下锆的动力学特性

本文基于磁驱动装置CQ-4完成了冲击-斜波加载实验设计,开展了金属锆在不同加载条件下先冲击再斜波压缩新热力学路径下的动力学特性研究.实验结果显示,加载压力峰值约为25 GPa,三个样品的波剖面结构依次为弹塑性转变、冲击波和斜波压缩,当冲击加载压力在相变压力附近约10 GPa时可以获取含有明显相变特征的速度波剖面,而冲击压力在20 GPa时冲击波覆盖相变波,速度波剖面无法观测到10 GPa附近的双波结构.加载压力峰值约为44 GPa,速度波剖面无弹塑性转变和相变特征为单波结构.结合多相状态方程和非平衡相变速率方程对锆的冲击-斜波压缩过程进行了数值模拟,计算与实验结果吻合良好,可以较好地模拟锆的冲击-斜波压缩实验过程.     

压力下钒发生相变的第一性原理计算

利用投影缀加波方法对金属钒加压至400 GPa左右的结构相变过程进行了第一性原理研究. 计算了相变中的热力学转变压力和失稳转变压力, 并对相变前后的电子性质进行了研究. 结果表明: 钒在低压下为体心立方结构, 随着压力增大转变为菱方结构, 压力继续增大最后又重新转变为体心立方结构. 热力学计算得到的BCC→rhu(α>109.47°)→rhl(α<109.47°)→BCC三次转变压力分别为27,104和310 GPa. 利用剪切弹性常数C44计算得到的2次失稳压力分别为52和255 GPa. 能带计算表明, 在加压过程中高对称点Γ处靠近费米能级的能带由低压下的非电子占据态变为高压下的占据态, 而费米能级以上的电子态密度计算可见明显的s,p-d带间电子迁移现象.     

黑柱石的高压相变及其压缩性研究

利用金刚石压腔(DAC)和原位同步辐射X射线衍射(XRD)技术, 研究天然黑柱石单晶室温下的高压结构稳定性和压缩性, 实验最高压力为39.5 GPa。实验中观察到黑柱石在19.2 GPa 时从斜方晶系α相(空间群Pnam)转变为单斜晶系β相(空间群P2₁/a), 转变过程中晶胞体积没有明显的不连续变化。利用Birch-Murnaghan状态方程, 对黑柱石单胞体积随压力的变化关系(P-V)进行拟合, 得到α相黑柱石状态方程参数为K₀=118(4) GPa, V₀=671.9(5) A³, K₀′=6.6(7); β相黑柱石初始相变压力P_r=19.2 GPa, 状态方程参数为K_r=157(3) GPa, V_r=599.3(6) A³, K_r′=4 (固定)。此外, 确定了α相和β相黑柱石的轴压缩系数, 并从化学组成和晶体结构压缩性各向异性的角度讨论相变机理。     

Semiconducting non-molecular nitrogen up to 240 GPa and its low-pressure stability

The triple bond of diatomic nitrogen has among the greatest binding energies of any molecule. At low temperatures and pressures, nitrogen forms a molecular crystal in which these strong bonds co-exist with weak van der Waals interactions between molecules, producing an insulator with a large band gap. As the pressure is raised on molecular crystals, intermolecular interactions increase and the molecules eventually dissociate to form monoatomic metallic solids, as was first predicted for hydrogen. Theory predicts that, in a pressure range between 50 and 94 GPa, diatomic nitrogen can be transformed into a non-molecular framework or polymeric structure with potential use as a high-energy-density material. Here we show that the non-molecular phase of nitrogen is semiconducting up to at least 240 GPa, at which pressure the energy gap has decreased to 0.4 eV. At 300 K, this transition from insulating to semiconducting behaviour starts at a pressure of approximately 140 GPa, but shifts to much higher pressure with decreasing temperature. The transition also exhibits remarkably large hysteresis with an equilibrium transition estimated to be near 100 GPa. Moreover, we have succeeded in recovering the non-molecular phase of nitrogen at ambient pressure (at temperatures below 100 K), which could be of importance for practical use.     

镁铝尖晶石高压相变的理论计算

运用密度泛函(DFT)平面波赝势方法(PWP),计算了镁铝尖晶石三种物相的状态方程和热力学生成焓以及在0～50GPa高压范围内的力学性质.研究结果表明:利用状态方程得到的镁铝尖晶石转变为CF相和CT相的相变压强分别为26.79GPa和30.19GPa,与实验值误差分别为+0.79GPa和-11.81GPa;而利用热力学生成焓,在GGA近似下得到的CF相的相变压强为24.52GPa;LDA近似下CT相的相变压强为39.85GPa,与实验值误差为-1.48GPa和-2.15GPa.在对高压下镁铝尖晶石三种相结构的力学稳定性的分析发现,尖晶石相在压力超过30GPa时力学结构变得不稳定,而两个高压相在...     

A theoretical investigation on phase transition and dissociation of ammonium bromide under high pressure

Structures of ammonium bromide under high pressure were investigated through ab initio evolutionary algorithm and total-energy calculations based on density functional theory. Static enthalpy calculations indicate that the low-pressure phase V（space group P4/nmm） transforms into a monoclinic P21/m structure at 71 GPa and then an orthorhombic structure Cmma at 130 GPa, which is found to be energetically stable up to 264 GPa. Mechanism of phonon softening at the P4/nmm P21/m transformation is discussed. Ab initio calculations show that the band overlap in the molecular Cmma phase, which causes the pressure-induced insulator-to-metal transition, occurs at about 240 GPa. Enthalpy calculations show that Cmma NH4 Br becomes unstable and dissociates into NH3 and HBr above 264 GPa.     

交流阻抗谱法研究高压下CdS的电学性质

利用金刚石对顶砧(DAC)原位交流阻抗谱测量技术,研究了硫化镉(CdS)半导体粉末在高压下的电输运性质.结果表明,在高压条件下CdS中存在两个电传导过程,晶体内传导和晶界传导,而晶体内传导是其主要过程.通过选择合适的表象,获得了 CdS的体电阻随压力的变化关系,反映了CdS在高压下的相变过程:在2.7 GPa—3.6 ...     

A first-order liquid-liquid phase transition in phosphorus

First-order structural phase transitions are common in crystalline solids, whereas first-order liquid-liquid phase transitions (that is, transitions between two distinct liquid forms with different density and entropy) are exceedingly rare in pure substances. But recent theoretical and experimental studies have shown evidence for such a transition in several materials, including supercooled water and liquid carbon. Here we report an in situ X-ray diffraction observation of a liquid-liquid transition in phosphorus, involving an abrupt, pressure-induced structural change between two distinct liquid forms. In addition to a known form of liquid phosphorus--a molecular liquid comprising tetrahedral P4 molecules--we have found a polymeric form at pressures above 1 GPa. Changing the pressure results in a reversible transformation from the low-pressure molecular form into the high-pressure polymeric form. The transformation is sharp and rapid, occurring within a few minutes over a pressure range of less than 0.02 GPa. During the transformation, the two forms of liquid coexist. These features are strongly suggestive of a first-order liquid-liquid phase transition.     

高压下石墨超硬相的电阻率测量

采用高压下精确的原位电阻率测量技术,利用高浓度硼掺杂的金刚石薄膜制备微电路,在0～34 GPa测量石墨的电阻率随压力的变化规律.结果表明:在第一和第二个压力循环中,石墨超硬相电阻率不连续变化,分别出现在15.1 GPa和17.9 GPa;相存在的最低压力为8 GPa.     

BaC2高压相R3m的电子结构与力学性质的第一原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究BaC₂高压相R3m的晶体结构、 力学、  热力学和电子结构等性质. 计算结果表明:  BaC₂的I4mmm相较高压相R3m的离子性更强. 在0 K 时, 由BaC₂的I4mmm相转变为R3m相的压强为3.6 GPa, 与实验结果相符. 高压相R3m的弹性常数满足波恩\|黄昆判据, 因而其晶格力学性质稳定. 布居数分析表明, 在高压下, 从Ba原子至C原子的电荷转移在I4mmm至R3m相变过程中所起的作用较大. 