高压下NH_4ClO_4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究

研究高压下NH_4ClO_4的结构和性质对于NH_4ClO_4在固体推进剂和炸药的安全应用具有重要意义.采用基于色散校正密度泛函理论的第一性原理方法,研究了0—15 GPa静水压力下NH_4ClO_4的晶体结构、分子结构、电子性质和弹性性质,计算结果与实验值具有较好的一致性.在压强为1,4和9 GPa时,NH_4ClO_4的晶体参数、键长和分子构型等均出现不连续变化,说明了在压强作用下结构发生变化.随着压强增加,氢键增多且作用增强,由分子内氢键向分子内和分子间的氢键转变;导带态密度峰值增加,电子局域性增强,晶体内N-H和Cl-O共价键作用增强,带隙增大,不同相变区域内带隙呈线性关系.0—15 GPa条件下NH_4ClO_4的弹性常数满足力学稳定性标准,采用Voigt-Reuss-Hill方法计算了体积模量B,剪切模量G和杨氏模量E,根据Cauchy压力和B/G值,说明NH_4ClO_4属于韧性材料,随着压强增加韧性增强.     

高压下Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH晶体结构与弹性特征的第一性原理研究

Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了0~350 GPa条件下Py-FeO₂和Py-FeOOH以及0~170 GPa条件下ε-FeOOH的晶体结构与弹性性质。Py-FeO₂和Py-FeOOH的晶格常数随压强的增加呈逐渐减小趋势,而ε-FeOOH的晶格常数随压强增加而减小,其中c轴更容易被压缩。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的晶胞密度随压强增加而增大,按照密度由大到小依次为Py-FeO₂、Py-FeOOH、ε-FeOOH。3相的体积模量随压强的增加线性增加,Py-FeO₂和Py-FeOOH的剪切模量随压强的增加线性增加。对比体积模量可知,Py-FeO₂的体积模量最高,Py-FeOOH和ε-FeOOH的体积模量在高压下几乎一致;而Py-FeO₂的剪切模量最大,ε-FeOOH的剪切模量最小。Py-FeO₂、Py-FeOOH和ε-FeOOH的压缩波速随压强的增加而增加,Py-FeO₂的剪切波速随压强的增加而增加。Py-FeOOH的剪切波速在0~2000 km深度范围内随深度增加而减小,在2000~6000 km深度范围内变化较小(在5.8~6.0 km/s之间);ε-FeOOH的剪切波速在33 GPa(约900 km深度)发生突变。3相中ε-FeOOH的波速最低,而Py-FeO₂的波速最高。综合计算结果表明,Py-FeO₂和Py-FeOOH具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区的性质一致。Py-FeO₂和Py-FeOOH在形成之后可能富集下沉到核幔边界,成为超低速区的来源。ε-FeOOH在超过33 GPa压强条件下发生的氢键对称化给ε-FeOOH的结构带来显著变化,同时氢键对称化会影响原子间相互作用,进而影响ε-FeOOH的弹性性质以及地震波速。     

压强下TaB和TaB2力学和超导性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 在广义梯度近似下研究了TaB和TaB2在不同压强下的弹性常数、原子结构、电子结构以及超导性质及其对两者物理性质不同进行了比较. 计算结果表明随着压强的增加, 弹性常数和体弹模量随之增加, 而相对晶格常数a/a0, b/b0, c/c0和相对体积V/V0随压强增加而减小. 在高压下, TaB沿着a轴方向的压缩性要比b轴方向大, 而b轴方向的压缩性要比c轴方向大; TaB2是沿着c轴方向的压缩性要比a轴方向的压缩性大. 电子结构分析表明TaB2的原子态杂化程度比TaB的原子态杂化程度要高, 这与TaB2的体弹模量比TaB的体弹模量高的结果相一致. 依据Bardeen-Cooper-Schrieffer超导理论, TaB和TaB2费米能级处态密度的值随着压强的增加而降低, 说明它们的超导转变温度Tc随着压强的增加而降低.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

高压下钨弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文利用密度泛函理论研究了高压下bcc结构钨的弹性和热力学性质,计算得到钨的晶格常数、体弹模量以及其对压强的一阶偏导与实验值符合较好;在常压下弹性常数计算值与实验值符合较好的基础上,预测了其高压数据.针对钨的固相结构稳定性问题,根据力学稳定判断标准得到0~600 GPa范围内bcc结构是力学稳定的.此外,通过体模量和剪切模量的计算得到bcc结构钨在压力低于600 GPa时的力学性能表现为韧性.最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了钨的热膨胀系数、等压热容、等容热容和熵随着压强和温度的变化关系,为钨及其合金的进一步设计及应用提供参考.     

高压下TiC的弹性、电子结构及热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法 并结合准谐徳拜模型研究了NaCl结构的TiC在高压下的弹性性质、电子结构和热力学性质. 计算所得零温零压下的晶格常数、体弹模量及弹性常数与实验值符合得很好. 零温下弹性常数和弹性模量随压强增大而增大. 通过态密度和电荷密度的分析, Ti-C键随压强增大而增强. 运用准谐德拜模型, 成功计算了TiC在高温高压下的体弹模量、熵、热膨胀系数、徳拜温度、 Grüneisen参数和比热容. 结果表明压强对体弹模量、热膨胀系数和徳拜温度的影响大于温度对其的影响. 热容随着压强升高而减小, 在高温高压下, 热容接近Dulong-Petit极限.     

密度泛函理论研究高温高压下UO2弹性与热力学性能

采用第一性原理与准谐德拜模型研究UO2在高温高压条件下的弹性与热力学性能。UO2在高温高压下仍属离子型晶体,并且弹性性能计算表明,四角方向剪切常数在高温与高压下均保持稳定。高温下弹性常数C44没有明显变化,而高压下C44迅速增大。体积模量、剪切模量与杨氏模量均随压强增加而增大;高温条件下,体积模量、剪切模量与杨氏模量也未出现明显的降低,表明UO2在高温度高压下均可保持良好的力学性能。不同压强下,UO2定容热容均随温度迅速增大,并在1000 K 附近趋近于杜隆-佩蒂特极限。德拜温度则随温度降低,随压强升高。在低于室温条件下,热膨胀系数随温度急剧增加;温度继续增加,系数的增加趋势则逐渐变缓。计算结果还表明,UO2的热膨胀系数在相同条件下,远小于其他核材料。     

新型石墨插层化合物HfC2结构与性质的第一性原理研究

在高压下,预测一种新型石墨插层化合物HfC₂.采用第一性原理方法对其在0 GPa下的结构和性质进行研究,分别采用GGA-PBESOL、GGA-PW91和LDA方法进行结构优化,得到的晶体学数据基本相同.弹性常数和声子谱计算证实其力学和晶格动力学稳定性,表明HfC₂在0 GPa下能够稳定存在.采用GGA-PBESOL方法计算得到HfC₂的体模量和剪切模量达到265 GPa和118 GPa,Pugh比k<0.57,是一种具有高体模量的韧性材料.HfC₂存在C-C、Hf-C共价作用,且具有金属特性和特殊层状结构,是其具有高体模量和韧性的原因.最后,对HfC₂在0~500 GPa内的键长、体模量、剪切模量、k值等进行研究,探索其力学性质随压力变化的规律.     

小分子液体的高温布里渊散射研究

利用金刚石对顶砧技术,采用180°背向散射和60°前向对称散射两种几何配置,对水、氨、二水合氨和甲烷等含氢小分子液体进行了高温高压布里渊散射研究,计算了在室温(296K)和高温(410K)下的声速,比较了不同小分子液体中的声速及绝热体弹模量随压力的变化关系。在等温条件下,各体系中声速随着压力的增加逐渐增加;在相同温度下,甲烷液体的声速随着压力增加的速率明显高于水、氨及二水合氨液体;在相同的温度和压力条件下,水、氨及二水合氨液体的体弹模量明显高于甲烷液体的体弹模量,表明氢键的存在对于小分子液体弹性具有较大影响。二水合氨的体弹模量斜率在1.5GPa左右发生改变,表明液体结构可能发生了改变,并分析了氢键对该体系弹性性质的影响。研究有助于理解其他含氢小分子液体中压力和温度诱导的分子结构变化。     

氢化铒高温高压下的弹性及热力学性质

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论, 并结合准谐德拜模型, 计算了立方萤石结构ErH2在不同温度和压强下的体积、热膨胀系数、体弹模量和等体热容等弹性性质及热力学性质。在温度高于1 100 K的条件下,计算出的等体热容趋近于Dulong-Petit极限。得到了绝对零度、零压强下ErH2的该结构的晶格常数为0.523 2 nm,与实验值0.523 0 nm非常接近。由不同的原胞体积得出了该体系的单点能与原胞体积的关系的数据;从计算出的高压下的弹性常数,根据立方晶系的力学稳定性条件,推断出立方萤石结构ErH2的相变压力约为20 GPa。     

Creating homogeneous depth profiles in YBaCuO films by ion beam implantation for uniform supression of Tc

Critical temperature depth profiles were calculated for single and multiple energy oxygen ion implantation of YBaCuO thin films. Using the code and the diffusion equation the changes of the profiles during an annealing between 150 and 300°C were obtained. The results are in reasonable agreement with the experimental data. Experimentally we investigated further implantation of O⁺, Ne⁺ and Al⁺ with a homogeneous implantation profile. The critical temperature is depressed by the created defects and in the case of Al also by substitution of Cu. For O⁺ and Ne⁺ implantation the depression of the critical temperature is diminished by an annealing process. Depending on the quality of the films, T_c reaches in some cases the values of the unimplanted samples. For Al⁺ the critical temperature changes less by the annealing process compared to the O⁺ or Ne⁺ implantations and does not reach the starting values. Some results of an annealing made by laser treatment are presented, too.     

多面体共替代对Sr_2(Al_(1–x) Mg_x)(Al_(1–x) Si_(1+x))O_7:Eu~(2+)晶体结构和发光颜色的影响

采用高温固相法合成Sr_(1.98)(Al_(1–x) Mg_x)(Al_(1–x) Si_(1+x))O_7: 2%Eu~(2+)荧光粉完全固溶体,利用X射线衍射、光致发光光谱和光学显微镜进行晶体结构和发光性能的研究. Sr_2Al_2SiO_7和Sr_2MgSi_2O_7同构化合物中包含[MgO_4]、[SiO_4]和[AlO_4]四面体,较大体积的[MgO_4]和较小体积的[SiO_4],共同替代体积相似的[AlO_4],导致[(Si/Al)O_4]收缩和[(Mg/Al)O_4]膨胀,晶胞参数c减少, a和V增大,使Eu~(2+)周围的环境发生改变,晶体场劈裂程度减小,发射峰位从503 nm蓝移至467 nm,实现发光光谱从绿色(0.2384, 0.3919)到蓝色(0.1342,0.1673)的转变.当x为0时,发射峰的半高宽为120 nm, x从0.25增加到1时,半高宽由89 nm逐渐减小至50 nm,多面体的替代会改变荧光粉的发光性能.     

Transmission of low-energy (< 10 eV) O ions through Au films on TiO2(110)

In an attempt to identify the fundamental processes that influence ion transport through metallic surface layers, we have studied the transmission of O⁺ ions through discontinuous Au films adsorbed on TiO₂(110). A low energy (< 10 eV) O⁺ ion beam is generated via electron stimulated desorption when an Au-dosed TiO₂(110) substrate is bombarded with a focused 250 eV electron beam. Low energy ion scattering data indicate that Au evaporated under ultrahigh vacuum conditions at 300 K forms three-dimensional clusters on TiO₂(110). As the Au coverage increases, the formation of Au clusters on TiO₂(110) blocks a fraction of the TiO₂ surface and the O⁺ yield is attenuated. However, for high coverages (≥30% Au covered substrate) the O⁺ signal decreases at a faster rate than the TiO₂ open area fraction. We attribute the attenuation of the O⁺ yield for high Au coverages mainly to blocking of O⁺ by Au clusters, to deflection of trajectories by the image force between ions and Au clusters, and to charge transfer between desorbing O⁺ and neighboring Au clusters.     

Structural,elastic, and vibrational properties of phase H:A first-principles simulation

Phase H(MgSiO_4H_2), one of the dense hydrous magnesium silicates(DHMSs), is supposed to be vital to transporting water into the lower mantle. Here the crystal structure, elasticity and Raman vibrational properties of the two possible structures of phase H with Pm and P2/m symmetry under high pressures are evaluated by first-principles simulations. The cell parameters, elastic and Raman vibrational properties of the Pm symmetry become the same as the P2/m symmetry at～ 30 GPa. The symmetrization of hydrogen bonds of the Pm symmetry at ～ 30 GPa results in this structural transformation from Pm to P2/m. Seismic wave velocities of phase H are calculated in a range from 0 GPa to 100 GPa and the results testify the existence and stability of phase H in the lower mantle. The azimuthal anisotropies for phase H are A_(P0)= 14.7%,A_(S0)= 21.2%(P2/m symmetry) and A_(P0)= 16.4%, A_(S0)= 27.1%(Pm symmetry) at 0 GPa, and increase to A_(P30)= 17.9%,A_(S30)= 40.0%(P2/m symmetry) and A_(P30)= 19.2%, A_(S30)= 37.8%(Pm symmetry) at 30 GPa. The maximum V P direction for phase H is [101] and the minimum direction is [110]. The anisotropic results of seismic wave velocities imply that phase H might be a source of seismic anisotropy in the lower mantle. Furthermore, Raman vibrational modes are analyzed to figure out the effect of symmetrization of hydrogen bonds on Raman vibrational pattern and the dependence of Raman spectrum on pressure. Our results may lead to an in-depth understanding of the stability of phase H in the mantle.     

Ce-La-Th合金高压相变的第一性原理计算

采用第一性原理计算对Ce_(0.8)La_(0.1)Th_(0.1)在高压下fcc-bct的结构相变、弹性性质及热力学性质进行了研究讨论.通过对计算结果的分析,发现了合金在压力下的相变规律,压强升高到31.6 GPa附近时fcc相开始向bct相转变,到34.9 GPa时bct相趋于稳定.对弹性模量的计算结果从另一角度反映了结构相变的信息.最后,利用准谐德拜模型对两种结构的高温高压热力学性质进行了理论预测.     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.     

单轴[110]应力硅电子迁移率

基于k·p微扰法研究单轴[110]应力作用下硅的导带结构,获得单轴[110]应力硅的导带底能量及电子有效质量.在此基础上,考虑电子谷间、谷内及电离杂质散射,采用弛豫时间近似计算单轴[110]应力硅沿不同晶向的电子迁移率.结果表明：单轴[110]应力作用下硅的电子迁移率具有明显的各向异性.在[001]、[110]及[110]输运晶向中,张应力作用下电子沿[110]晶向输运时迁移率有较大的增强,由未受应力时的1 450 cm²·Vs^-1提高到2 GPa应力作用下的2 500 cm²·Vs^-1.迁移率增强的主要原因是电子有效质量的减小,而应力作用下硅导带能谷分裂导致的谷间散射几率的减小对电子迁移率的影响并不显著.     

Soft X-ray recombination laser research at the Institute of LaserEngineering

Soft X-ray laser experiments recently carried out using the Gekko MII glass laser facility at the Institute of Laser Engineering, Osaka University, are described. Hydrogenic and lithiumlike lasing schemes in recombining plasmas were investigated using foil targets exploded with line-focused 532 nm laser radiation of approximately 100 J energy. In a preliminary study, time-integrated emissions of Balmer-α transitions in C⁸⁺ and O⁷⁺ and 5-3 transitions in Al¹⁰⁺ were found to increase nonlinearly with increasing target length, yielding gain coefficients of G=0.9 to 2.3 cm ^-1. In a subsequent, more refined study, which included time-resolved measurements, the authors obtained a gain of G=2 cm^-1 and a gain-length product GL=3 for the Balmer-α transition in F⁸⁺ at 80.9 Å     

高压下Ti_2AlX(X=C,N)的结构、力学性能及热力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了压力对Ti_2AlC与Ti_2AlN结构、力学性能的影响.研究发现压力的增大会使体系的体积比降低,Ti_2AlC压缩性较Ti_2AlN好.力学性能研究发现,压力的增大使材料抵抗变形能力增强,体系的延展性有了很大的提升,当压力超过40 GPa后,Ti_2AlC与Ti_2AlN从脆性材料转变为延性材料,体模量与剪切模量的比值达到1.75,延展性有了很大的提升.通过准谐德拜模型,分析了压力与温度对Ti_2AlC与Ti_2AlN体模量、热容及热膨胀系数的影响.结果表明,随着温度的升高,Ti_2AlN与Ti_2AlC的体模量下降.定容热容与定压热容的变化趋势相同,但在高温下,定容热容遵循Dulong-Petit极限,温度对热容的影响效果较压力明显.温度与压力对Ti_2AlN与Ti_2AlC线膨胀系数的影响主要发生在低温区域.