Materials Design of New Nb3AlN Ternary Ceramic

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似下的平面波赝势方法,模拟了Nb3AlN基本性能,如能带结构和热力学性能。模拟结构表明,Nb3AlN与金属的性能相似,具有良好的导电性和导热性。热容随温度的增加和压强的减小而增加。Grüneisen参数γ随温度的增大而增大,并且随压强的增加Grüneisen参数γ呈非线性减小。德拜温度受温度和压强影响较大,随温度的增加而急剧减小,随压强增加而迅速增加。通过模拟吉布斯自由能和温度的关系表明,采用合适的工艺可以合成Nb3AlN。     

Si掺杂正交相SrHfO_3电子结构与光学性质的第一性原理计算（英文）

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了正交相SrHfO3和以Si替换Hf方式形成的掺杂态SrHfO3的形成能,几何结构,电子结构和光学性质。负的形成能表明在由单元素形成Si掺杂态的SrHfO3的反应中,Si占居Hf位置与Sr位置两种情况在能量上是有利的,并且Si原子更加倾向于占居Hf位置。纯的SrHfO3计算得到的晶格常数与文献报道的实验值和理论值是一致的,而Si占居Hf位置后会导致SrHfO3的晶格常数减小。能带结构显示在掺入Si原子后会使带隙变小。布居分析与电荷密度图一致,说明在Hf位置掺入Si后掺杂位置附近的Hf-O键以共价键为主,Sr-O键以离子键为主。最后,对Si掺杂后SrHfO3在(100)方向上的介电常数、反射率、吸收系数、折射率进行了计算与分析。     

Mg-Pr二元体系热力学优化（3）

相图热力学优化是材料设计理论和方法最重要的组成部分，是新材料的开发和应用的重要依据之一。相图计算即CALPHAD技术，主要是依据化学热力学原理和基本关系，计算热力学体系的平衡性质。一个物质体系的热力学特征函数确定以后，这个物质体系的全部热力学性质都可以计算出来，其中包括相图。镁合金是最轻的一种金属结构材料，广泛应用于航空航天、汽车、电子工业等许多领域。镁-镨合金作为镁合金的一种，也具有非常广阔的应用前景。本工作采用瑞典皇家工学院开发的相平衡计算软件Thermo-Calc系统，利用CALPHAD技术，通过选择或建立合理的热力学模型，将相图和热力学数据联系起来，对镁-镨二元合金体系相图和热力学数据进行热力学优化和评估，获得自洽的Mg-Pr体系的热力学描述即体系中所有物相，包括溶体相和金属间化合物的Gibbs自由能，为相关材料的设计和工艺制定服务。     

RuB2结构与硬度的第一性原理研究（英文）

采用第一性原理方法研究了RuB2六方结构和四方结构的晶体结构、弹性模量和电子结构。通过理论计算发现这两种结构的晶格参数和晶胞体积与实验值比较吻合,说明计算结果合理可信。计算的弹性模量显示这两种RuB2结构表现出优异的力学性能,通过电子结构的计算发现在Ru与B原子之间主要是以Ru的4d和B2p电子轨道上的电子杂化并形成了Ru-B共价键。在基态下RuB2主要以四方结构稳定存在。     

Cu-Nb-Si体系相平衡的实验研究和热力学模拟（英文）

通过关键实验、热力学建模和第一性原理计算相结合的方法研究Cu-Nb-Si体系的相平衡关系。制备16种三元合金，采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜结合X射线能谱仪(SEM-EDS)，测定三相和两相区范围，证实三元化合物τ₁(Cu₄Nb₅Si₄)的存在，同时测定Cu在NbSi₂和Nb₅Si₃相中的溶解度，最终确定Cu-Nb-Si体系在600和700℃的等温截面。基于文献和本工作的实验数据，结合第一性原理计算和CALPHAD方法，利用替代模型和亚点阵模型分别描述溶体相和中间化合物，对Cu-Nb-Si体系进行热力学计算，最终得到一套自洽的热力学参数。通过计算与实验结果相比较，所获得的热力学参数能再现可靠的实验数据。     

第一性原理研究不同压力下正交相SrHfO_3的电子结构(英文)

采用第一性原理研究了压力对正交相Sr Hf O3电子结构的影响。正交相Sr Hf O3在零压力时的结构参数与已有的实验值和理论计算值一致。当施加的压力小于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在Z-Γ之间。当施加的压力大于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在S-Γ之间。随着压力的增加,正交相Sr Hf O3的态密度向低能量方向移动。电荷密度分析表明,Hf-O之间主要以共价键结合,Sr-O之间主要以离子键结合。随着压力的增加,Hf-O共价键和Sr-O离子键增强,而Sr-Hf O3之间的离子交互作用减弱。     

TiB2和TiB弹性性质的理论计算

采用基于密度函数理论的赝势平面波方法和广义梯度近似对TiB2和TiB化合物的弹性性质和电子结构进行了理论计算,并用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到多晶体的弹性模量和切变模量。结果表明：TiB2和TiB的弹性模量分别为599 GPa和443 GPa,切变模量分别为268.5 GPa和193.5 GPa,Pugh定律和泊松比等经验判据表明TiB2比TiB脆性更大;并从这两种化合物的电子结构对其弹性性质的差异进行了讨论。     

BiOCuS电子结构、化学键和弹性性质的第一性原理研究(英文)

利用基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)研究四方相BiOCuS的电子结构、化学键和弹性性质。能带结构显示,BiOCuS为间接带隙半导体,带隙宽为0.503eV;态密度和分态密度的结果表明,费米能级附近的态密度主要来自Cu-3d态。布居分析表明,BiOCuS中的化学键具有以离子性为主的混合离子?共价特征。计算得到四方相BiOCuS的晶格参数、体模量、剪切模量和单晶的弹性常数,由此导出弹性模量和泊松比。结果表明,BiOCuS是力学稳定的,且具有一定的延展性。     

金属间化合物Mg_2Pb的电子结构和弹性性质

运用第一性原理方法计算了金属间化合物Mg_2Pb的电子结构以及弹性性质,并用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到Mg_2Pb的弹性模量和切变模量.结果表明:Mg和Pb对态密度的贡献主要是Mg的2p轨道和Pb的5d轨道,其次为Mg的3s轨道和Pb的6p轨道,Pb的6s轨道贡献最小;在Mg原子周围有大量的电荷存在,呈典型的金属键特征,Mg、Pb之间存在共用的电荷,有较强的离域性,以共价键形式存在,但交界电荷的畸变不大,故共价键所占比例较少,金属键所占比例较大,Mg_2Pb化合物呈半金属性;Mg_2Pb的弹性模量和切变模量分别为68.6和27.9 GPa,Pugh经验判据和泊松比均表明Mg_2Pb具有脆性.     

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。     

LaNi5（111）表面结构及吸氢机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,对贮氢合金LaNi5及LaNi5(111)表面的电子结构进行计算,对H原子在LaNi5(111)表面吸附模型进行构型优化.结果表明:LaNi5(111)表面驰豫结构La原子向外凸出,Ni原子向里收缩,凹凸不平的表面层增加表面原子与H原子的接触面积,表面层的有效体积约增大2.3%,有利于H原子向块体内扩散;表面层有净余的0.5个电子,有利于表面层上的电子转移到H原子上;H2分子解离成两个H原子后在LaNi5(111)表面的平衡稳定结构与氢化物LaNi5H7晶体相同位置的结构极为相似;阐述H2分子在LaNi5(111)表面的解离吸附机理,其反应活化能约为0.27 ev.     

Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相稳定性与弹性性能第一原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相的结构稳定性、弹性性能与电子结构。形成热和结合能计算结果表明:Al2Y具有最强的合金化形成能力和结构稳定性;热力学性质计算结果表明:在298~573 K温度范围内,Al2Y的Gibbs自由能始终最小,其结构热稳定性最好,Al2Ca次之,Mg17Al12最差,Y和Ca合金化Mg-Al系合金形成Al2Y及Al2Ca利于提高镁合金的高温抗蠕变性能;弹性常数的计算结果表明:3种金属间化合物均为脆性相,Mg17Al12的塑性最好;采用弹性常数计算结果预测的Al2Y熔点最高,其结构热稳定性最好。态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:Al2Y结构最稳定的原因,主要源于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的共价键作用。     

低价锆氧化物Zr3O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究(英文)

采用第一性原理系统地研究3种Zr₃O晶形(空间群分别为R■c (斜方六面体)、R32 (斜方六面体)和P6322(六面体))的晶格动力学及其与温度相关的热力学和力学性质。计算得到的3种Zr₃O晶形的晶体结构参数与实验结果一致。此外,证明3种Zr₃O结构在动力学和热力学上均具有稳定性。获得了3种Zr₃O晶形在0～1500 K温度范围内的熵、焓、吉布斯自由能、比热容、热膨胀系数和弹性模量等性质。发现3种Zr₃O晶形在0K时的相对稳定性顺序为Zr₃O (R■c)> Zr₃O (R32)> Zr₃O (P6₃22);然而,在50 K时Zr₃O(R■c)转变成Zr₃O (R32),在540K时转变为Zr₃O(P6₃22)。相较于其他2种Zr₃O相,Zr₃O(R...     

Cmcm空间群斜方SrHfO3的电子结构和光学性质理论计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了Cmcm空间群斜方SrHfO3的电子结构和光学性质。计算得到的Cmcm斜方SrHfO3的平衡晶格常数均与实验值相近。同时,计算得到了Cmcm斜方SrHfO3的能带结构、态密度和电荷密度,其结果表明斜方SrHfO3属于直接带隙氧化物,Hf和O之间主要是共价键结合而Sr和O之间主要呈现离子键特性。计算还得到了斜方SrHfO3的复介电函数、折射率和消光系数等,且复介电函数的实部与虚部都与实验结果接近。     

三元Stannide相窄带隙半导体Na_2MgSn的第一性原理计算(英文)

利用基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)研究Na_2MgSn的电子结构、化学键、弹性和光学性质。能带结构显示Na_2MgSn为间接带隙材料,带隙宽度为0.126 eV;态密度和分态密度计算结果表明,费米能级附近的态密度主要来自Na、Mg和Sn的p态电子;布居分析表明Na_2MgSn中的化学键具有以共价性为主的混合离子-共价特征。计算得到Na_2MgSn的晶格参数、体模量、剪切模量和单晶的弹性常数,由此导出弹性模量和泊松比。结果表明,Na_2MgSn是力学稳定的,且具有一定的脆性。光学函数表明Na_2MgSn是好的介电材料,反射谱在6.24~10.29 eV的能量范围内,Na_2MgSn是较好的被覆材料。     

Zr-Be二元体系金属间化合物结构、电子、力学和热力学性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论和广义梯度近似（GGA）方法,对Zr-Be二元合金中金属间化合物ZrBe₂、ZrBe₅、ZrBe₁₃和Zr₂Be₁₇的结构、电子、力学和热力学性能进行了第一性原理计算。优化后的0 K点阵参数与已有的实验结果基本一致,证明了计算的可靠性。通过计算得到的形成焓和结合能表明,所有的金属间化合物都能在0 K自发形成,其中ZrBe₅的合金化能力最强,ZrBe₂的结构稳定性最好。随后,电子态密度（DOS）也被用于了解金属间化合物的稳定性。采用应力-应变法计算了这些金属间化合物的独立弹性常数。在此基础上,利用Voigt-Reuss-Hill近似推导出了多晶材料的体模量B、剪切模量G、杨氏模量E、泊松比ν和各向异性A等力学参数。此外,利用Pugh准则、泊松比和柯西压力对金属间化合物的延性行为进行了分析。在热力学性能方面,除了利用准调和近似（QHA）计算晶格振动能量、体模、热膨胀系数和比热随温度变化外,所有的声子色散曲线都说明了这些金属间化合物的动态稳定性。     

Co-Sc金属间化合物物性参数和结构稳定性北大核心CSCD

采用基于密度泛函理论的第一性原理法对Co-Sc体系中Co Sc、Co2Sc和Co Sc2化合物的热力学参数、电子结构和弹性性质进行计算,分析了3种化合物结构的稳定性和力学性能。结果表明:3种化合物Co Sc、Co2Sc和Co Sc2形成能分别是-0.54、-0.51和-0.36 e V,结合能分别为-6.08、-6.07和-5.56 e V。热力学能均是负值,3种化合物能稳定存在。Co Sc、Co2Sc和Co Sc2费米能级分别为0.6、7.8和8.1 e V,Co Sc在费米能级处的电子能量最小稳定性最好。态密度图分析3种化合物都是金属间化合物。Co Sc的Co(p)、(d)轨道和Sc(p)、(d)轨道电子明显重叠,发生了强烈的杂化作用。Co Sc、Co2Sc和Co Sc2体积模量分别为2.7、172.1和59.3 GPa,Co2Sc有最强的抵抗体积变化特性。Co Sc、Co2Sc和Co Sc2剪切模量分别为72.7、70.1和20.9GPa,Co Sc的刚度相对较强。Co Sc的B/G<1.75为脆性材料,而Co2Sc、Co Sc2的B/G分别为2.46、2.84为塑性材料。     

RhZr2电子结构和弹性性质的第一性原理

通过基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的第一性原理(First Principles),分别应用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)平面波超软赝势法,计算四方晶相RhZr2基态的电子结构和弹性系数矩阵。对四方晶相结构的RhZr2进行几何优化,对其能带结构、总态密度和分态密度以及差分电荷密度进行研究,并计算RhZr2晶体的原胞总能量与形成焓。计算得到RhZr2的弹性系数C11、C12、C13、C33、C44、C66分别为195.38、176.80、109.00、235.65、11.12、24.51GPa,体积模量为156.92(±2.22)GPa,在[100]、[010]和[001]方向上的杨氏模量分别为34.77、34.77、171.80GPa,切变模量Gxy、Gzx、Gzy分别为24.79、14.57、19.68GPa。     

Mo-Re和W-Re二元体系的热力学和相图优化

应用CALPHAD方法和Thermo-Calc软件，对Mo-Re和W-Re二元系进行了热力学优化，得到了与试验数据及第一性原理计算结果吻合较好的结果。由于Mo-Re和W-Re体系较为相似，同时进行优化，尤其是对Re端际的补充熵进行了统一，建立了更为合理的Mo-Re和W-Re相图。     

Al4Sr,Mg2Sr和Mg23Sr6相的电子结构与弹性性能的第一原理研究（英文）

采用第一性原理计算Al4Sr,Mg2Sr和Mg23Sr6相的电子结构与弹性性能。合金形成热与结合能的计算结果显示Al4Sr具有最强的合金化形成能力和最高的结构稳定性。通过计算弹性常数、体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比,讨论了体系的韧性与塑性行为。结果表明,Al4Sr和Mg2Sr为延性相,Mg23Sr6为脆性相,在3种金属间化合物中,Mg2Sr的塑性最好。