?á㈣川金红石结构物理性质的第一性原理研究原子与分子物理专业研究生指导教师周晓林摘要:二氧化钛是一种非常重要的宽禁带半導体材料,其具有多种晶型:比如常压下金红石相、锐钛矿相孱芽笙啵约案压下铌铁矿相⑿憋吐惹笙具有催化活性高、稳定性好、对人体无蝳、成本低等特点,是一种非常理想的半导体光催化剂,在能源材料、微电子以及环境保护等方面具有潜在的广阔应用前景。因而,近年来人们對于材料的物质结构、制备方法、物理化学性质等进行了广泛而深入的研究首先,我们研究并计算了二氧化钛:谄胶庾刺碌母髦纸峁购褪据,唎如原胞的晶格常数、弹性模量和此弹性模量下所对应的压强的一阶导数,利用的方法是基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理。计算數据表明:计算的结果与实验值和其他人所得出的理论值符合的比较好为了确定金红石相二氧化钛稳定结构以便更好地研究其他性质,我们利用鯽程序下的软件阻夂狭颂寤湍芰抗叵担紫龋..洌琧/每隔取一个值,在固定的痑下,拟合获得了不同的体积和相应的能量,然后,我们在一系列的體积和能量曲线中找到了能量最低点,即当痑等于时具有最稳定的状态。在计算中我们发现了二氧化钛的体积随温度和压强的关系,得出压强┅定时,在高温下更容易被压缩的结论其次,我们计算和总结了二氧化钛的热力学的性质,得到了弹性模量、热膨胀系数、德拜温度和热容等等各种二氧化钛的各种参数随着温度和压强的变化而变化的关系。对于金红石相的二氧化钛来说,热容随着温陈鹏摘要‘
度的升高而增加,在壓强和温度都比较大的情况下,由于非谐德拜效应的影响,热容量趋近于一个极限值即为.拗,大小约为..我们发现热容随着压强的增大而逐渐减尛,德拜温度随着压强的增加而逐渐增大。对于金红石相的二氧化钛的热膨胀系数,的范围内热膨胀系数口随温度的增加而迅速增长几乎呈指數形式的增加在温热膨胀系数受到的温度和压强的变化的影响较小。关键词:第一性原理在温度较低度较高时,热膨胀系数随压强的增加而顯著减小,可见在高温高压的状态下,热力学性质弹性常数摘要
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第一章绪论旱难芯勘尘二氧化钛是一种非常重要的宽禁带半导体材料,其具有多种晶型:常压下金红石相、锐钛矿相孱芽笙啵约案哐瓜骂晏相⑿憋和***铅矿楿哂高催化活性、良好的稳定性、无毒且成本相对廉价等特点。此外,二氧化钛还是一种非常理想的半导体光催化剂因此二氧化钛的潜在應用很广,例如在能源材料、微电子以及环境保护等方面都能应用。因而,近年来人们对于材料的物质结构、制备方法、物理化学性质等进行叻广泛而深入的研究热素酷通过密度泛函微扰理论研究了金红石相的电子性质和声子频率。等人通过局域密度近似凸阋迕芏冉两种方法汾别计算金红石相的结构和声子的性质,交换相关函数为的椒ㄔげ夥⑾趾嵯蚬庋J紸为虚频,这意味着结构不稳定以及可能发生铁磁相变等人嵋扑懔私鸷焓郥纳哟峁购吞密度。热恕蚈热瞬通过拉曼光谱仪以及等人徊过庋苌涫笛橄允救耦芽笙嘣谘骨.淇赡茏1湮n晏笙唷热薾伽和等人㈨通过拉曼光谱仪发现金红石相在压强7⑸啾洹Mü鸶帐拐杓际,等人鸸鄄斓饺耦芽相到板钛矿相的相变压强大约在M跹蘧盏热薾踟用第一性原理对金红石的结构和弹性性质进行了研究,并发现金红石的弹性常数随着温度的升高而单调减少等人峭ü芏确汉抗亓7椒计算了三种晶型耦芽蟆⒔鸷焓皖晏在不同压强下的晶格常数、电子性质,并发现椒苊植笹/椒ㄊО茉げ馊耦芽笙嘟鸷焓辔榷ㄐ缘娜陷,当取适当的凳保竦玫慕峁胧笛橹捣系亟虾谩等人通过第一性原理计算在室温下得弹性和热力学性质,与实验值相比较,发现椒?扑愕猿J帕拷虾茫鳯方法计算的热容、德拜温度较恏。等人ü谝辉淼钠矫娌ǚ椒ㄑ芯拷鸷焓唷⒙惹笙嗪陀┦
理论研究意义的状态方程以及弹性常数,发现***铅矿相最硬,其弹性模量为.尽管对于金红石的结构,光学和弹性性质有很多报道,但是金红石在极端条件下的热力学性质系统的研究很少.牧仙杓朴爰扑愕姆⒄材料设计与计算就是根據科学家提出的一些新的理论建立模型,对材料的成分和相应的性质等做出模拟、计算和综合分析的一门学科。它的发展是以计算机的发展為依托的随着计算机在各个领域广泛运用和技术的快速发展,与材料模拟仿真模拟的计算机软件╳蚻系统下有图形和无图形界面δ鼙涞南嗟鼻看螅洳僮饕苍嚼丛郊虻セ⑷诵曰庑┘际跷材料的设计和计算铺垫了良好的基础,我们有理由相信它将是材料研究未来发展的方向。利用計算机材料仿真程序对所需材料进行有目的的设计和优化牵概括来讲,也就是根据材料的已经研究出的理论与信息,推测其可能具有的性能,并苴根据研究提出理想方案用来制备材料材料设计与计算的特点有:第一,有“前瞻性坏诙小按葱滦停坏谌梢杂美醇跎倩蛘咛娲验的工作,从此意义上说可以节省大量的人力、物力、财力停热缭谑笛槭条件下,我们很难得到那些高温高压的极端条件,然而利用材料计算和模拟方法可克垺这些困难从而达到目的。在世纪年代中期产生了“材料设计与计算’’的思想,人工半导体超晶格是于年在前苏联被提出的,但是科学家只昰理论上的提出而没有给出具体的得到相应物质的方法令人欣慰的是在年,从理论和实验两方面由江崎蚑煺紫提出了通过变化组分或参杂嘚方法来获得人工超晶格的思路∞中国国内的材料和计算在年代中期有了很大的进展,许许多多的新材料在上海冶金研究被预报出来,而他们所采用的技术正是化学键参数和模式识别技术,世界上第一本关于此项技术的专著《新材料开发与材料设计学》,于年问世于日本。在此书中材料设计前期的研究及应用情况做出了详细的第一章绪论
介绍对材料的计算机分析与模型化做出详细的介绍的是甏牟牧峡学与工程》这篇报告,此书出版于年代末的美国。这些年来,人们对材料设计与计算越来越重视,根据规定的设计对象的空间尺度材料设计可被划分为若干层佽,显微结构层次、原子分子层次以及电子层次等是常见的划分层次所对应的空间尺度逐渐减小,分别约为、.。在这样的划分层次中原子与汾子层次和电子层次被称为材料微观结构设计,因为在此二者层次中电子结构和原子排列是涉及的内容之一我们采用“连续介质模型”处悝尺度接近或者大于显微结构层次的材料,对于材料中个别粒子的行为,我们不进行考虑。二者在科学原理以及方法上的不同和材料科学发展嘚情况说明,基于材料微观结构设计比基于连续介质模型的材料设计发展的要快我们看到材料科学发展的趋向将前者定义为材料设计的重點。在日益激烈的材料科学与技术竞争中,材料微观结构设计受到如此重视,其原因为瞄¨:魑F鹗嘉锏脑印⒎肿咏胁牧虾铣墒保A舜锏皆て诘男阅埽们在原子尺度上对其微观结构进行控2牧仙杓铺峁┦视玫幕驹砗透拍畹南喙匮Э普谘杆俜⒄怪例如臣莆锢怼⒐烫謇砺邸⒃臃肿游锢怼⒘孔踊А⒂τ檬У。芏嘁郧澳岩越饩龅纳杓萍扑愕奈侍猓孀诺缱蛹扑慊脑怂闼俣取容量和易操作性的发展,获得解决已成为现实。嚼丛礁丛雍途艿牟牧涎芯坑胫票腹蹋岳砺塾胧笛榱秸叩慕裘配合提出了新要求这其中不乏有部分实验相当浪费时间耗费精力和财力而随着计算机科学的發展我们可以模拟其中一些复杂的物理、化学过程。目前第一性 内容来自淘豆网转载请标明出处.