钛合金中原子迁移性质的第一原理研究

钛合金作为一种重要的航空材料,具有比强度高,耐蚀性好等优异性能,并具有一定的高温蠕变抗力。但是在更高温度下,有限的蠕变抗力限制了钛合金的进一步应用。实验研究表明,钛合金稳态蠕变过程蠕变激活能与合金的表观扩散激活能非常接近,说明原子的扩散与蠕变过程密切相关。本文采用第一性原理的方法,计算了钛合金中常见的杂质及合金原子的迁移能垒。结果表明,对以空位机制扩散的合金原子,其在基面内迁移的能垒从高到低为Al、V、Ti、Sn、Ta、Mo、Nb、Zr,面间原子迁移由难到易为Al、Sn、V、Ti、Ta、Mo、Nb、Zr。以间隙机制迁移的Co、Fe、Ni迁移能垒较低,与实验观测到的这些原子为快扩散原子相符。     

H2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理的密度泛函理论(DFT)计算了H2分子在Mo(001)表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了H2分子在Mo(001)表面3个位置(顶位,桥位,穴位)吸附后的能量,结果表明在穴位吸附能最高。分析了H原子与Mo原子最临近距离dH-Mo与H2分子的键长在吸附前后的变化;通过对H2分子及在Mo(001)表面吸附的态密度图的分析,最后得出吸附主要原因是由于H2分子的1s轨道与Mo的4d轨道发生相互作用。     

Au吸附清洁及H化Si(001)表面的第一原理研究

用第一原理理论研究了Au吸附于清洁及H化Si(001)表面的特性.结果表明,对于清洁表面,Au原子的吸附能够打断衬底Si层的二聚体化学键;在低温下,Au原子停留在表面,但由于具有较小的扩散势垒,比较容易扩散到Si衬底中.而Au原子在H-Si(001)表面的吸附则不会打破衬底Si二聚体键,这一点与清洁表面的吸附性质完全相反.     

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构.根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差.通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因.表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变.驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫.     

Au吸附清洁及H化Si（001）表面的第一原理研究

用第一原理理论研究了Au吸附于清洁及H化Si（001）表面的特性。结果表明，对于清洁表面，Au原子的吸附能够打断衬底Si层的二聚体化学键；在低温下，Au原子停留在表面，但由于具有较小的扩散势垒，比较容易扩散到Si衬底中。而Au原子在H-Si（001）表面的吸附则不会打破衬底Si二聚体键，这一点与清洁表面的吸附性质完全相反。     

元素掺杂对Bi电迁移影响的第一原理计算

应用第一原理方法研究通过元素掺杂来抑制SnBi无铅焊料中Bi的电迁移问题.在SnBi体系中掺杂zn和Sb元素,通过用近弹性带方法计算掺杂体系中Bi元素的扩散能垒.结果表明:加入Sb之后,Bi的扩散能垒由原来的0.32 eV升高到0.46 eV,扩散激活能由原来的1.14 eV升高到1.18 eV;加入Zn后,Bi的扩散能垒由原来的0.32 eV升高到0.48 eV,扩散激活能由原来的1.14 eV升高到1.22 eV.由此可得,Zn和Sb的加入都能够提高Bi的扩散激活能,起到抑制扩散的作用.通过分析态密度可知:加入Zn和Sb后,体系中Sb与Bi的p态曲线几乎完全重合,比Sn与Bi的p态曲线重合度高很多,说明sb和Bi的共价键作用很强,且比Sn-Bi的共价键作用强,从而增加Bi的扩散能垒.同样,Zn和Bi的p态曲线重合度也比Sn和Bi的曲线重合度高很多,表明Zn-Bi的共价键同样比sn-Bi的共价键强,所以Zn的加入同样增加Bi的扩散能垒.总结说来,Sb和zn的掺杂能够抑制SnBi焊料中Bi的电迁移.     

金属Zr中O原子扩散的第一性原理研究

由于锆合金在冷却剂缺失事故中的行为与O在锆合金中的性质密切相关,采用第一性原理计算方法研究了O原子在金属Zr中的基本热力学稳定性和扩散性质。研究表明:O原子在hcp-Zr超胞中的八面体间隙、四面体间隙以及空位这3种位置的占位中以八面体间隙位最稳定;空位的存在会提高间隙O原子的稳定性,O原子处于空位的第三近邻位置时比第一和第二近邻位置更稳定; O原子在八面体间隙位之间扩散与在四面体间隙位之间扩散的难易程度接近。     

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。     

Ti-Nb-Al体系相结构稳定性的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,从合金结合能角度揭示了Ti8Al8→Ti6Nb2Al8→Ti5Nb3Al8相变的能量学因素,从相变热的角度解释了γ1(Ti4Nb3Al9)新相产生的原因,并从电子态密度在费米能级上电子数的多少阐明了Ti8Al8→Ti6Nb2Al8→Ti5Nb3Al8→Ti4Nb3Al9相变的电子机制。从理论上说明了在Ti-Nb-Al体系中,随Nb含量增加,在能量与电子结构层次上产生γ1相的原因。     

Ti_(0.67)Mo_(0.33)H_2晶格动力学第一原理研究

基于第一原理方法对Ti0.67Mo0.33H2体系的体弹性模量、声子谱、Debye温度和热容量进行了计算,算得体系体弹性模量为165 GPa,高于Ti H2的计算值128.9 GPa;体系Ti/Mo原子和H原子的声子态密度峰值分别在4.0和38.0 THz,Mo元素的添加降低了Ti/Mo原子热振动频率和增高了H原子的热振动频率;体系Debye温度高于Zr H2体系揭示了其脱氢能力较Zr H2强;声子谱虚频现象揭示了体系潜在的δ-ε相变趋势;热容量计算结果表明较高温度下体系吸收的热量主要转化为H原子的热振动能量。     

First Principles Study the Stability and Mechanical Properties of M3B2(M=V, Nb and Ta) Compounds

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对过渡金属硼化物M3B2(M=V,Nb,Ta)的稳定性、化学键、弹性常数、硬度以及徳拜温度进行计算和预测。这些硼化物的结构已经经过优化,得到的晶格常数与实验值相符。通过得到的这些硼化物的结合能和生成焓,确定了这些硼化物具有稳定的结构。通过计算,还得到了M3B2(M=V,Nb,Ta)的弹性常数、相关模量及泊松比。     

CBN电子结构和光学性质的第一性原理计算

利用第一性原理计算了立方氮化硼(CBN)的电子结构和光学性质.计算结果表明CBN属于宽禁带间接能隙半导体,带隙值为4.76 eV,B原子和N原子的价电子结构分别为2s0.632p1.73和2s1.482p4.16,B-N布居数为0.64,键长为0.156 53 nm,吸收长波限值约为110 nm,静态介电常数为4.536,光吸收系数及禁带宽度随着外加压力的增大而增大.分别用杂化轨道理论和分子轨道理论对CBN的电子态进行分析,分子轨道理论更能解释DOS计算的结果.     

Bonding Character and Formation Energy of Point Defects of He and Vacancy on （001） Surface of bcc Iron by First Principle Calculations

The structure and energy of He impurities and vacancy on (001) surface of bcc iron are investigated by an ab initio method. Three cases for stabilities of a He atom at the surface are found: some of He atoms at surface atomic layers (SAL) relax into vacuum gap; some of surface He atoms at octahedral interstitial site relax into more stable tetrahedral interstitial site; some of surface He atoms still stay at tetrahedral interstitial site. The un-stability of the He atom at the surface system can be explained by deformation mechanism of charge densities and electronic densities of states. It is found that formation energy of the point defects from the topmost SAL to bulk-like atomic layer increase gradually, for example, the formation energies of a monovacancy at the first five topmost SALs are equal to 0.33, 1.56, 2.04, 2.02 and 2.11 eV, respectively. The magnetic moments of Fe atoms in the surface atomic layers are also calculated.     

半导体碲化铅PbTe(001)表面几何结构特性的分析

利用第一性原理方法,计算了半导体铅盐PbTe的体晶格常数,并借助于Slab模型,对铅盐(001)表面几何结构进行了计算与分析,验证了PbTe(001)表面不发生重构,但发生明显的振荡弛豫和褶皱,并分析了铅盐(001)表面几何结构弛豫和褶皱的性质、特点和成因,为有关铅盐及其表面的实验提供了有益的解释和预测,为铅盐的广泛应用提供理论方面的参考数据.     

金红石型TiO2(110)表面与Ag相互作用的第一性原理研究

采用第一性原理计算Ag与金红石型TiO2(110)晶面的相互作用。通过计算金红石型TiO2(110)面上2种键桥对Ag原子的吸附能,发现键桥Ti形式与Ag原子结合的吸附能低于键桥O形式的吸附能;通过进一步的电荷布居、单位键长以及电子结构的计算,发现键桥Ti形式的Ti-Ag之间的结合能大于键桥O形式的Ti-Ag之间的结合能,这说明Ag原子更容易与金红石型TiO2(110)面上的键桥Ti上的Ti原子发生反应生成相应的化合物。     

(9,0)单臂SiC纳米管电子结构与光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,计算了(9,0)单臂SiC纳米管的电子结构和光学线性响应函数,利用精确计算的能带结构和态密度分析了(9,0)单臂SiC纳米管电子结构与光学性质的内在关系。计算结果表明,(9,0)单臂SiC纳米管是一直接宽禁带半导体材料,禁带宽度达到了1.86 eV,价带顶和导带底主要由C和Si原子的p轨道形成,Si-C键主要以sp2、sp3杂化轨道存在,这是SiC纳米管稳定存在的主要原因。光学性质的计算结果显示,在0~10 eV的能量范围内出现了明显的介电峰,吸收带边对应于紫外波段。因此,(9,0)单臂SiC纳米管或许会成为优异的紫外半导体材料。     

Energies of (001) twist grain boundaries in silicon

Boundary energies of silicon have been measured on (001) twist boundaries. Bicrystals were made by sintering, and then wetted with Sn liquid to form surface grooves at grain boundaries at 1473 K. The boundary energies were evaluated relative to solid–liquid interfacial energies by a dihedral angle method on the surface grooves. Shallow energy cusps at coincidence site lattice (CSL) misorientations were found. Cusps were classified into two groups with respect to the cusp width: narrow and wide. The energy of the general boundaries varies discontinuously with misorientation angle across CSL misorientations observed for wide cusps, and CSL misorientations divide misorientation regions with respect to energies.