重金属及其氧化物高压相变的第一性原理研究

摘要

高压相变是材料物理中关注的热点研究问题之一，它对揭示材料结构、电子结构等有重要科学意义，在化学、生物科学及地球科学中也有很重要的应用价值。利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法，我们主要研究了以锕系为主的重金属及其氧化物在静压力下所发生的结构相变、等构相变及相变路径，同时也对由于压力引起的电荷转移、电导以及磁性等性质的变化进行了系统研究。具体地讲，本论文主要有三部分的内容:锕系二氧化物(AO2，A=Th、U、Np或Pu)的高压相变特性及其基态电子结构、磁性、力学性质、热力学性质（第三章和第四章）;第Ⅳ族过渡金属锆及钛锆合金高压下的相变、弹性、超导电性及电荷转移（第五章）;过渡金属氧化物PbCrO3的高压相变及强关联局域性、状态方程及磁结构等（第六章）。
　　对锕系二氧化物(AO2，A=Th、U、Np或Pu)及钍的两种氢化物ThH2和Th4H15的计算表明:U、Np和Pu中的5f电子对其化合物的电子结构有较重要的影响，需要采用LDA+U方法进行计算，而对不含5f电子的钍化合物体系则只需用GGA方法就可得到它们的结构特性。固定U在4eV，采用LDA+U方法，我们得到了较传统的DFT计算更符合实验结果的U、Np或Pu氧化物电子结构。根据电子结构分析，发现Th-O、U-O、Np-O及Pu-O键可以被理解成具有混合的离子/共价特性，Pu-O、U-O和Np-O键比Th-O键具有更强的共价性，而Th-O键离子性最强。弹性常数及声子谱结果表明AO2常压相都是稳定的。对ThO2及PuO2而言，其从Fm(3)m到Pnma相转变压强分别为26.5GPa和24.3GPa;发现它们的高压相分别在80-130GPa和75-133GPa区间会发生等构相变，Pnma相PuO2在133GPa附近有金属态转变。通过第一性原理PuO2拉伸实验获得了不同特征方向拉伸情况下的力学特性，首次给出了PuO2的理论抗张强度，发现Pu-O键离子/共价性在拉伸下将减弱，并会发生绝缘体-金属态转变。弹性常数及声子谱结果表明体心四方结构ThH2为稳定相，而萤石矿型ThH2是力学和动力学都不稳定的亚稳相。
　　利用GGA方法，研究了第Ⅳ族过渡金属锆及等原子钛锆合金的高压相变特性。首先，我们得到了α与ω相锆及等原子钛锆合金的基本参数，计算结果显示所得到的结构参数、弹性常数、弹模、泊松比、超声波速、德拜温度及状态方程与相关实验结果符合的很好。计算预测锆（钛锆合金）在T=0 K时α→ω及ω→β结构相转变压分别为-3.7GPa(-13.8GPa)和32.4 GPa(33.9GPa)。预测α与ω相为力学稳定相，而β相在0压时为力学不稳定相。β相锆及钛锆合金加压分别至3.13GPa和2.19GPa时才会满足力学稳定条件。锆金属的低压β相满足低弹模条件。动力学稳定性测试表明β锆在低于26 GPa时都是动力学不稳定的。对锆及钛锆合金，加载过程中的s-d电荷转移在压力引起的力学性质强化方面都起着重要的作用。我们基于β锆声子谱沿[111]及[110]方向的软模振动，给出了β→ω及β→α转变的相变路径。通过计算电-声耦合常数研究了锆的超导电性，发现计算所得Tc与实验结果是相符合的。发现超导电性的压力行为主要与d轨道电子有关。β锆的Tc在30GPa附近出现极大值主要是因为TA1软模。加压过程中锆的所有三种结构Tc增加或减小都与电声耦合常数λ的相应行为有密切关系。
　　利用LDA+U及GGA+U方法，对过渡金属氧化物PbCrO3的高压相变特性进行了研究。发现只有在LDA+U方法中调整参数U到4 eV附近，才可以获得和实验相符的铁磁或反铁磁基态，充分说明了该材料中的强关联局域性。R3相PbCrO3-CrPbO3和实验低压相Ⅰ是一致的，而Pm3m和R3c相PbCrO3与实验高压相Ⅱ相符。预测加压下R3相PbCrO3-CrPbO3到Pm(3)m相PbCrO3相变压为1.5GPa，R3相PbCrO3-CrPbO3到R3c相PbCrO3相变压为-6.7GPa。在很宽的能量范围内，Cr-3d和O-2p轨道具有明显的杂化。计算结果表明实验相Ⅰ体积大是因为实验样品中包含了CrPbO3，而相Ⅰ的高压缩性和低压下就开始的PbO6/2八面体向CrO6/2转换有很大关系。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 高压相变

1．1．1 高压相变分类

1．1．2 等构相变

1．2 高压相变研究进展

1．2．1 锕系金属高压相变研究

1．2．2 碱金属高压相变研究

1．2．3 过渡金属高压相变研究

1．2．4 过渡金属氧化物高压相变研究

1．3 本文主要内容及结构安排

参考文献

第二章 第一性原理方法介绍

2．1 引言

2．2 基本方程和绝热近似

2．3 密度泛函理论基础

2．4 交换关联相互作用能

2．5 第一性原理计算的一般过程

2．6 本文计算材料物性的方法

2．6．1 弹性常数

2．6．2 弹性模量

2．6．3 弹性波速及德拜温度

2．6．4 硬度

参考文献

第三章 ThO2及钍氢化物(ThH2和Th4H15)的基态性质及高压相变

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 萤石矿型ThO2的基态性质

3．3．1 原子结构和力学性质

3．3．2 电子结构和电荷分布

3．3．3 声子谱曲线

3．4 ThO2的高压行为

3．5 钍氢化物的基态性质

3．5．1 钍氢化物的原子及电子结构

3．5．2 钍氢化物的力学性质

3．5．3 钍二氢化物的声子谱

3．6 小结

参考文献

第四章 UO2、NpO2及PuO2的基态性质及高压相变

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 NpO2基态性质

4．3．1 NpO2的原子和电子结构

4．3．2 力学性质

4．3．3 NpO2的声子谱

4．4 PuO2基态性质及高压相变

4．4．1 萤石矿型PuO2的原子、电子结构

4．4．2 力学性质

4．4．3 萤石矿型PuO2的声子谱及热力学性质

4．4．4 PuO2的高压相变

4．5 小结

参考文献

第五章 金属锆及钛锆合金高压下的相变、弹性及超导电性

5．1 引言

5．2 计算方法

5．2．1 计算细节

5．2．2 力学性质

5．2．3 超导电性

5．3 金属锆计算结果和讨论

5．3．1 相变

5．3．2 加压过程的力学性质分析

5．3．3 相变路径及超导电性

5．4 钛锆合金计算结果和讨论

5．4．1 结构

5．4．2 相变

5．4．3 弹性

5．5 小结

参考文献

第六章 PbCrO3高压相变及电子结构研究

6．1 引言

6．2 计算方法

6．3 计算结果和讨论

6．3．1 立方PCO的结构和磁性

6．3．2 相变分析

6．3．3 高压行为

6．3．4 电子结构

6．4 小结

参考文献

第七章 总结与展望

博士期间已发表和待发表的文章

致谢

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