TiC(100)/α-Fe(100)界面稳定性及电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了 TiC(100)/Fe(100)界面稳定性和电子特性.建立了 4种不同原子堆垛方式的界面模型,采用界面粘附功、界面能和断裂功评价界面稳定性;采用差分电荷密度、Mulliken布居和态密度分析了电子特性.结果表明:Fe原子位于C原子上方的堆垛模型界面粘附功最大,界面能最小,界面结构最稳定.其界...     

TiC/Mg复合材料界面稳定性的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对4种TiC(111)/Mg(0001)界面的态密度、差分电荷及键合方式等进行计算分析,采用界面粘附功评价了界面的润湿性和结合强度。结果表明:经几何优化后,C终端心位界面结构、C终端顶位界面结构与Ti终端心位界面结构几乎没有发生改变,而Ti终端顶位界面结构转换成了Ti终端心位界面结构。新形成的Ti终端心位界面结构与建立的Ti终端心位界面结构有着相近的粘附功与界面间距。其中,C终端心位界面的界面粘附能最大为7.221 J/m~2,界面间距最小为0.139 nm,润湿性较好,界面最为稳定。在C终端心位界面结构与C终端顶位界面结构中,界面两侧键合方式主要为共价键与离子键,而在Ti终端心位界面结构中,界面处键合方式主要为金属键。     

微合金钢中Mo对α-Fe/NbC界面影响的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了钼元素掺杂前后α-Fe/NbC界面的黏附功、界面能、电子结构和成键特征等性质。考虑了2种不同原子的终端界面,并分析了6种Mo原子置换位置对α-Fe/NbC界面结构的影响。结果表明:C终端界面结构的稳定性比Nb终端界面的稳定性更强,而Mo原子进入界面NbC侧置换Nb原子形成的α-Fe/(Nb,Mo) C界面则表现出比未掺杂界面更好的稳定性。因此,Mo对NbC在铁素体中的形核有一定的促进作用。另外,6种界面的差分电荷密度、态密度和Milliken布居分析也解释了Mo能强化α-Fe/NbC界面的原因。     

TiN(111)/DLC界面粘附功和电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了 TiN(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了 TiN过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理.根据TiN(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了 6种可能的TiN(111)/DL...     

Pt(100)/ZrO2(100)界面性质的第一性原理

采用密度泛函理论的平面波赝势法,分别研究在ZrO2(100)面上以氧为键桥和以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)界面模型的结合能、电子结构以及等电荷差分密度分布图。结果发现:在以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO界面结合能为1.978J/m2,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr界面结合能为10.035J/m2,前者的界面结合能低于后者的界面结合能,即以锆为键桥的ZrO2(100)更容易与Pt(100)面结合。通过电子结构和等电荷差分密度分布图分析可知,以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO时,主要是锆氧之间存在电子转移,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr时,不仅锆氧之间、而且铂锆之间也存在电子转移,铂锆之间主要是锆的4d电子轨道和铂的5d以及部分6s、5p电子轨道上的电子发生了转移并且成键结合,这说明在铂基材料中以锆为键桥的界面结合能有效提高铂基材料的强度。     

Ag／CuO复合材料界面稳定性的第一性原理计算

通过对银氧化铜复合材料界面第一性原理计算与界面高分辨透射电镜的分析,研究银氧化铜复合材料界面的稳定性。通过对低指数面的银与氧化铜界面的总态密度和界面结合能计算,考察银氧化铜反应合成后最稳定的结合界面,通过高分辨透射电镜分析并对计算结果进行验证。结果表明:银的(110)面与氧化铜的(100)面的结合能最大,容易形成稳定的结合界面,从界面态密度和电子云分布进一步证实此结果;通过高分辨透射电镜分析发现反应合成后银的(101)与氧化铜的(002)面属于稳定结合面,而(101)与(110)面,(002)与(100)面分别属于同一个晶面簇,其界面结合稳定性相近,这说明第一性原理模拟计算结果与实验结果能够很好地吻合。     

TiC(110)表面第一性原理研究(英文)

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算TiC(110)表面的结构和电子特性。对于该表面结构弛豫和表面能的计算结果表明,7层原子构型能够显示TiC的内部体相特征,弛豫后结构的变化仅发生在顶部3层,证明弛豫只影响构型的顶部3层。同时,从构型的(100)平面上的电荷密度分布中可以看到强烈的Ti—C共价键。弛豫后,由于电荷在真空层中的消耗和第一、第二层原子层之间的积累,第一、第二层原子间距减小,Ti—C化学键相应地增强。计算得到的TiC(110)表面的表面能为3.53J/m2。     

Al、Cr和Nb在Mo(111)/MoSi2(110)界面的元素效应

运用第一性原理平面波赝势方法计算了Mo(111)/MoSi2(110)的界面结构,并通过元素界面偏析能的计算确定了Al、Cr和Nb在Mo(111)/Mo Si2(110)的偏析位置,结合脱粘功和差分电荷密度揭示了Al、Cr和Nb对Mo/Mo Si2界面结合强度的影响。结果表明:Si顶位型配位方式的界面能最小,最为稳定,在Mo(111)/MoSi2(110)界面结构中倾向于以Si顶位型配位方式结合,其界面分离面在近界面Mo Si2(110)一侧的亚界面层。Nb对界面结合不利,Cr可适当提高界面结合强度,而Al对界面强度的影响取决于其界面覆盖度。究其原因是由于Nb在界面偏析形成的Nb—Si键相比于Mo—Si键有明显减弱,Cr形成的Cr—Si键略有增强,而Al的界面覆盖度对形成的Mo—Al键强弱影响较大。     

合金元素掺杂对γ-Fe磁性影响的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算的方法研究了合金元素掺杂对γ-Fe磁性的影响。四种磁性γ-Fe的稳定性排序为:AFMDAFMNMFM。N/C在γ-Fe中的固溶会导致γ-Fe由AFMD态向FM态转变,即N/C间隙原子导致了γ-Fe晶体内局域形成铁磁性结构。置换合金元素掺杂影响了几种磁性结构γ-Fe(M)的相对能量和稳定性,较高浓度合金元素掺杂会导致γ-Fe(M)稳定的磁性结构的改变或局域内会存在亚稳定磁性结构。     

Mn对中锰钢α-Fe/γ-Fe界面影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Mn原子进入α-Fe/γ-Fe界面前后的分离功、界面能、电子结构和成键特征等特性进行了分析.结果表明:Mn原子在逆相变过程中倾向于置换奥氏体一侧铁原子,即倾向于向奥氏体扩散,从而使奥氏体的临界形核功减小,临界形核半径减小,形核数量增加,热稳定提高.另外,界面态密度和Millike...     

合金化元素对W-Cu体系多类界面特征影响的第一性原理计算

基于第一性原理界面模型对W-Cu复合材料体系中W/Cu相界、W晶界和Cu晶界的溶质偏聚行为进行了系列计算分析,定量化研究了W-Cu体系中多类界面的键合特征和Sc、Ti、Y、In等多种合金化元素的界面偏聚特点。结合W-Cu体系的偏聚能和电子结构计算,揭示了W-Cu体系中同种合金化元素在晶界偏聚和相界偏聚过程中可能存在的显著差异及其微观机理。通过W-Y和W-Sc体系中合金化元素添加结果的对比分析,阐述了强偏聚元素与界面稳定性之间的关联。进一步,结合晶界偏聚能、相界偏聚能、铜基固溶体形成能等计算,提出了W-Cu复合材料体系筛选溶质元素的基本判据,从原子尺度上为研究多相复合体系的合金化元素优选策略提供了普适性分析方法,同时为高性能W-Cu基复合材料的研发提供了新的设计思路。     

Ni(001)/Ni_3Nb(001)面界面性质的第一性原理研究(英文)

采用第一性原理赝势平面波的方法研究Ni(001)、Ni3Nb(001)表面和Ni/Ni3Nb(001)界面。计算界面终端为Ni或Ni+Nb,堆积方式为顶部位置或空心位置这4种界面模型的粘附功、稳定性及电子结构。结果表明:Ni(001)和Ni3Nb(001)表面具有8个原子层时展现出较好的体相似性;以Ni+Nb为界面终端,堆积方式为空心位置的界面模型具有最大的结合强度和临界裂纹扩展应力,且具有最好的热稳定性。该模型界面处的Ni原子和Nb原子之间是共价键,这主要是由Nb 4d和Ni 3d轨道的电子贡献的。比较Ni/Ni3Nb(001)界面和Ni/Ni3Al(001)界面的性质可知,前者的热稳定性比后者的差,且更难形成界面,但是Ni/Ni3Nb(001)界面的形成能改善镍基合金的力学性能。     

LaS/CeS与γ-Fe异相界面性质的第一性原理计算

为了探讨LaS/CeS与γ?Fe两相之间的异相界面性质,本文采用边?边匹配(E2EM)模型计算了LaS/CeS与γ?Fe两相之间晶体学上的原子匹配情况,基于晶体学计算结果,采用基于密度泛函理论的第一性原理,从原子尺度计算了LaS/CeS与γ?Fe之间的界面结合性质与界面能。晶体学计算表明,LaS/CeS与γ?Fe之间沿匹配列的原子间距错配度最小值为10.63 %/10.52 %,密排面间距错配度最小值为2.04 %/3.32 %;LaS与γ?Fe之间粗略的位向关系为：LaS∥γ-Fe & LaS∥γ-Fe和LaS∥γ-Fe & LaS∥γ-Fe ;CeS与γ?Fe之间粗略的位向关系为：CeS∥γ-Fe & CeS∥γ-Fe和CeS∥γ-Fe & CeS∥γ-Fe。基于预测的晶体学位向关系,采用相干界面近似构建了6种不同终端界面模型,第一性原理计算表明,LaS/CeS与γ?Fe之间原子匹配错配度最低界面的粘附功为4.78J·m?2/3.65J·m?2,界面结合强度较高,界面键合以金属键为主。异相界面能计算表明,LaS/CeS与γ?Fe两相之间的原子匹配错配度越小,界面能越低,原子匹配错配度最小时,界面能分别为?0.58J·m?2/?3.43J·m?2,计算结果能够为LaS/CeS与γ?Fe之间的晶体学匹配提供能量学依据。     

钛中α/ω界面的第一性原理计算研究

基于实验观测到的界面位向关系,针对钛中α/ω界面开展了第一性原理密度泛函计算研究。根据α、ω两相不同的表面终端和界面原子配位类型,构建和计算考察了24种可能的α{1-100}/ω{1-100}界面原子模型。结果显示,有5种界面结构在能量上具有相近优势,在钛中可能同时出现,其平均界面能为0.100J/m₂(计入错配应变),或0.029J/m₂(不计入错配应变)。计算结果为后续开展钛及钛合金的相场模拟并揭示其相变机制提供重要依据。     

第一性原理计算TiN(111)/BN/TiN(111)界面的电子结构、成键特性和结合强度

利用第一性原理计算方法研究了TiN(111)/BN/TiN(111)界面的16个理论界面构型.计算结果表明,最稳定界面构型为top-top-BN构型,此构型中B原子只与周围N原子成键,为四面体配位.同时计算了top-top-BN构型的电子结构和成键特性以及界面结合强度,结果表明,top-top-BN构型界面上的键为较强共价键,其界面结合强度比TiN(111)板层或TiN块体材料的(111)晶面间的结合强度大,说明此构型具有强界面特征.     

合金元素在fcc-Fe/NbX(X=C,N)界面的偏析及影响

基于密度泛函理论(DFT)第一性原理方法,研究了Si、Ni、Mn、Cr、Mo在fcc-Fe/NbX (X=C, N)界面的偏析行为,并分析了合金元素偏析对界面体系的影响。结果表明,fcc-Fe/NbN界面结合强度相较于fcc-Fe/NbC界面结合强度略有提升;Si稳定存在于Fe基体中,Ni、Mn在界面有轻微偏析倾向,Cr、Mo在界面和NbX (X=C,N)内均存在偏析,其中,Mo向界面偏析倾向更大;Cr、Mo偏析在fcc-Fe/NbC界面一定程度上降低了界面的结合能力,但体系稳定性有所提升,Cr、Mo偏析在fcc-Fe/NbN界面一定程度上提高了界面的结合能力,但Mo使得体系稳定性下降。     

Mn和In添加对SmCo7结构稳定性及磁矩影响的第一性原理计算

基于构建适用于第一性原理计算、原子比例准确为Sm∶Co= 1∶7的晶体结构模型,依据实验研究中得到的物相共存结果,对Mn和In掺杂的Sm-Co体系模型进行了系列计算分析.利用热力学计算方法,定量化研究了 Mn和In在Sm-Co体系中优先占位特点及掺杂元素占位概率随温度的变化规律.通过Sm-Co合金掺杂体系的能量和电子结...     

基于第一性原理的涂层WC/α-Ti界面结合能、稳定性及电子结构的研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对WC/α-Ti界面性能进行了研究.研究内容包括:界面结合能、界面稳定性、界面电子结构及界面结合机制.结果 表明:WC(001)与α-Ti(001)各自拥有较小的表面能,且两者之间错配度较小,y角也互相一致,故建立了WC(001)/α-Ti(001)界面;其次考虑到α-Ti(001...     

Ir/SiC界面结合力、稳定性和电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上,共研究了6种不同的界面构型。结果表明：具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征,而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明,C封端顶位堆垛（C-TS）和Si封端中心位堆垛（Si-CS）界面构型具有最大的粘附功,分别为6.35和6.23 J/m²,是最稳定的构型;弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m²。电子结构分析表明：C-TS界面处具有离子特性,而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p,Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比,Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。     

(Ti,Me)C-Fe金属陶瓷界面电子结构与性能的关系

根据固体与分子经验电子理论(EET)以及异相界面电子结构模型,系统计算了(Ti,Me)C/Fe系列金属陶瓷界面电子结构(Me=Mo、W、V、Nb、Ta),初步分析了其界面电子结构与界面润湿、金属陶瓷力学性能之间的关系,结果表明:Me的添加使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度增大,界面润湿改善,改善界面润湿的能力从大到小排列为:Mo、W＞Nb、Ta＞V;另外,Me的加入使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度差增大,界面应力增大,有利于陶瓷晶粒的细化和提高界面结合强度,Mo、W添加剂能有效提高TiC/Fe金属陶瓷界面强韧性.