铀和二氧化铀光学性质第一性原理计算

摘要

本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下，系统研究了金属α-U和UO2的晶体结构，弹性常数，体模量，电子能带结构和光学性质。
　　计算主要针对α-U，α-U属于正交晶系，所属空间群:63-Cmcm。首先采用GGA近似对α-U进行了几何结构优化，以找到系统的稳定基态结构，计算得到的晶格常数与实验值非常吻合。然后计算了α-U的九个各向异性弹性常数，进而得到了其体模量，剪切模量，杨氏模量等参数。弹性常数计算结果与E.S.Fisher等人的实验值和P.Soderlind采用全势线性Muffin-tin轨道(FP-LMTO)方法计算结果吻合。得到的弹性模量B0=133.9GPa，剪切模量G=96.02GPa，他们的比值为1.37，根据Pugh经验判据，表明铀成脆性，与实验吻合。
　　铀的能带结构计算结果表明，铀在价电子区域，主要有三个较大的能带，在费米能级附近，5f，6d轨道参与成键，其中，5f轨道非常窄而且强，表现出一定的局域性。得到铀的电子基态以后，根据单电子近似和直接跃迁定则，计算了光学函数的矩阵元，得到了铀的介电函数虚部ε2，再根据Kramas-Kronig关系，得到其实部ε1，这样，就可以理论推导出铀的其它光学函数，像吸收系数，反射系数，电子能量损失谱等。对铀的各光谱性质，结合其能带结构，详细分析了各吸收峰的物理机制，并与相关实验数据作了对比分析。
　　金属铀在外界条件下氧化一般得到的是二氧化铀，UO2属于fcc晶系，所属空间群:225-Fm3m。尝试采用不同的方法对UO2的几何结构进行了优化，结果表明，GGA比LDA对二氧化铀的描述更好。因此，采用了GGA(PW91)，超软赝势并结合自旋极化计算了UO2的结构性质和弹性，计算结果与实验吻合较好。因为没有考虑强的库仑相互作用，计算结果得到了金属态UO2，这是传统的LDA，GGA方法的局限性所在。最后，定性分析了二氧化铀的介电函数，得到了其6d电子轨道劈裂能，与实验较为吻合。

目录

声明

摘要

1．引言

1．1 第一性原理计算

1．2 铀及其氧化物光学性质研究现状

1．2．1 金属铀

1．2．2 二氧化铀

1．3 论文的目的和意义

1．4 论文的结构和主要内容

2．理论计算方法

2．1 Born-Oppenheimer绝热近似

2．2 Hartree-Fock方法

2．2．1 Hartree方程

2．2．2 Hartree-Fock方程

2．3 密度泛函理论方法

2．3．1 理论基础

2．3．2 具体应用

2．4 电子结构计算的一般过程

2．5 小结

3．固体光学性质

3．1 基本光学常数

3．2 光学常数的色散

3．2．1 Lorenz色散理论

3．2．2 Drude色散理论

3．3 光学性质的计算

3．4 CASTEP光学性质计算影响因素

3．5 小结

4．金属铀的电子结构和光学性质

4．1 晶体结构几何优化

4．1．1 计算模型

．4．1．2 几何结构优化结果

4．2 弹性

4．2．1 理论描述

4．2．2 计算结果

4．3 电子结构

4．4 光学性质

4．4．1 介电函数

4．4．2 光导率

4．4．3 反射系数

4．4．4 吸收系数

4．4．5 电子能量损失谱

4．4．6 光学常数

4．4．7 光学性质计算的一些说明

4．5 小结

5．二氧化铀的电子结构和光学性质

5．1 晶体结构几何优化

5．2 弹性性质

5．3 电子结构

5．4 光学性质

5．5 小结

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

致谢

参考文献

论文创新点

附录