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《ga摻雜δ-pu的密度泛函理論計算》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、Ga摻雜S-pu的密度泛函理論計算李大偉高云亮朱芫江李進平火箭軍工程大學(xué)中國科學(xué)院力學(xué)研宄所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室s-Pu為Pu的高溫相,摻雜少量的Ga即可使其在室溫下穩(wěn)定存在。為了研宄Ga摻雜的影響及其機制,文章采用密度泛函理論方法,對不同摻雜量體系進行了晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)計算,主耍包括體系的晶格常數(shù)、密度、形成能、態(tài)密度、電荷密度和Mulliken布居分析。計算結(jié)果表明,在研宄范圍內(nèi),Ga摻雜后,體系晶格常數(shù)降低,密度增大,但6.25at%摻雜量的體系的穩(wěn)定性高于3.125at%和12.5at%摻雜量的體系摻雜使得Pti
2、周圍體系電子的局域性增強,成鍵能力增強,這在一定程度上揭示了Ga穩(wěn)定5-Pu的電子機制。Ga和Pu之間為金屬鍵,發(fā)生的作用主要由Pu的7s、6p、6d和Ga的4s、4p軌道電子貢獻,但這種成鍵作用相對較弱,使得摻雜體系可以保持原有的力學(xué)性能和機械加工性能。總體上來看,Ga對S-pu的穩(wěn)定作用主要在于改善了pu原子的成鍵性能,而不是與Pu原子的直接成鍵作用。關(guān)鍵詞:Ga摻雜;S-Pu;晶體結(jié)構(gòu);電子結(jié)構(gòu);密度泛函理論;在元素周期表中,Pti位于輕錒元素和重錒元素的邊界,蘇5f電子冋吋具有定域性和離域性的特點U1。心的5f電子成鍵特征
3、復(fù)雜丑對環(huán)境非常敏感,使得Pu表現(xiàn)出極其復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)。上世紀(jì)40~60年代,研宂人員對Pu及其合金和化合物的基本性質(zhì)進行了大量的實驗研宄,研宄成果在文獻m中有詳細地介紹。然而,由于Pu的放射性、毒性以及復(fù)雜物理的物理和化學(xué)性質(zhì),精密的實驗研宄面臨很大困難。盡管目前在Pl!的宏觀性質(zhì)研宄方面已經(jīng)取得了許多研宄成果,但對其機理仍然缺乏足夠深入的認識,因而發(fā)展具有預(yù)測能力的理論研究方法越來受到研究人員的重視[3-7]。從室溫到913K(Pu的熔點)的較小范圍內(nèi),Pu存在a、p、y、S、S’、e等6種同素異晶體,其中S-Pu的力學(xué)性
4、能和機械加工性能最好,應(yīng)用也最為廣泛。純的S-PU穩(wěn)定存在的溫度范圍為31(f452K,實驗研宄表明,只需lat%~2at%的Ga,即可使S-pu保留到室溫,而使之穩(wěn)定存在的Ga含量為2at%"9at%[8]oNada1和Bourgeois££l利用超聲脈沖方法研究了溫度對2.3at%Ga含量的S相Pu-Ga合金彈性模量的影響,發(fā)現(xiàn)其楊氏模量、體積模量和剪切模量均隨溫度的升高而降低。WheelerXM等在實驗上采用密度和硬度測量、X射線衍射以及電子探針顯微分析等方法研宄了0.18wt%(即0.61at%)Ga含量的Pu-Ga合金的
5、結(jié)構(gòu)和性質(zhì),結(jié)果表明0.18wt%的Ga含量不足以使S-pu合金在環(huán)境溫度下穩(wěn)定存在,而會以a-pu和S-pu混合態(tài)的形式存在。在理論研究方面,分子動力學(xué)方法、動力學(xué)平均場理論方法及第一性原理方法在5相Pu-Ga合金的研宄方面都有比較廣泛的應(yīng)用。其中分子動力學(xué)方法的一個重要任務(wù)在于正確描述Pu-Pu和Pu-Ga的和互作用勢,目前嵌入原子勢(EAM)以及修正嵌入原子勢(MEAM)在S-pu及pu-Ga合金的研宄領(lǐng)域有大量的應(yīng)用[11-14],但分子動力學(xué)方法無法從電子的層次深刻理解Pu-Ga合金的性質(zhì)機理。作為20世紀(jì)90年代發(fā)展起
6、來的一種非微擾多體技術(shù),動力學(xué)平均場理論DMET及其團簇擴展CDMET可以同時考慮電子的能帶特性和類原子特性,為研宄強關(guān)聯(lián)電子體系提供了新的有效途徑,但DMFT方法迄今難以進行表面電子態(tài)的計算[15]。而基于密度泛函理論(DFT)[16-20]的第一性原理方法是目前凝聚態(tài)物理的主流計算方法,也是研究钚及其化合物性質(zhì)的一種可靠方法,其中有關(guān)S相Pu-Ga合金的性質(zhì)研究的報道也比較廣泛。另外,DFT+DMFT是目前國際上比較公認的強關(guān)聯(lián)電子體系計算最精確的方法之一,其特點是結(jié)合DFT和DMET各自的優(yōu)點,即用DFT處理電子的弱關(guān)聯(lián)效應(yīng)
7、,而用DMFT處理由d電子和f電子引起的強關(guān)聯(lián)效應(yīng),但DFT+DMFT方法的計算成木相對較高,目前主要局限于一些對稱性高、原子數(shù)較少的體系計算。SadighX^il等采用基于自旋極化(SpinPolarized,SP)密度泛函理論(DFT)的平面波贗勢方法研究丫S相Pu_Ga合金的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì),結(jié)果表明考慮自旋極化效應(yīng)可以成功地計算低Ga含量8和Pu-Ga合金的全部結(jié)構(gòu)性質(zhì)和大多數(shù)熱力學(xué)性質(zhì)。羅文華[22]等采用全勢線綴加平面波(FPLAW)方法,在廣義梯度近似(GeneralizedGradientApproximation
8、,GGA)+自旋軌道鍋合(SOC)+SP條件下計算了Ga等合金化元素和Pu的化合物的平衡結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和形成熱,結(jié)果表明Pu和這些合金化元素的原子軌道間的雜化作用取決于Pu原子的6d和5f、合金化原子的p和Pu原子的6d以及合金化原子的sp軌道雜化