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锡酸盐烧绿石及二元化合物结构与性能的第一性原理研究

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第一章绪论

1.1烧绿石材料研究背景及国内外研究现状

1.2二元化合物高压相变的研究现状

1.3论文研究内容

第二章计算方法和理论基础

2.1近似方法简介

2.2密度泛函理论——电子和电子的相互作用

2.2.1 Kohn-Sham方程

2.2.2交换-相关能泛函的求解方案

2.2.3局域密度近似(Localized Density Approximation,LDA)

2.2.4广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation,GGA)

2.3赝势(Pseudopotential)近似——电子和核的相互作用

2.3.1赝势的导出

2.3.2赝势的基本性质

2.4周期性的超单元结构(Periodic supercells)

2.4.1 Bloch定理

2.4.2 Brillouin区K点的选取

2.4.3平面波基组

2.4.4非周期性结构的体系

2.5核与核的相互作用

第三章Ln2Sn2O7系列材料的结构和键合性质的第一性原理研究

3.1引言

3.2计算方法

3.3结果和讨论

3.3.1 锡酸盐烧绿石Ln2Sn2O7的基本结构

3.3.2平衡状态的结构性质研究

3.4本章小结

第四章Ln2Sn2O7系列电子性质与缺陷形成能的第一性原理研究

4.1 引言

4.2计算方法

4.3结果与讨论

4.3.1缺陷形成能

4.3.2态密度和能带结构分析

4.4本章小结

第五章MgS和CaS高压相变的第一性原理研究

5.1引言

5.2计算方法

5.3结果和讨论

5.3.1 MgS和CaS晶体的四种构型

5.3.2 MgS晶体结构相变的第一性原理研究

5.3.3 CaS晶体结构相变的第一性原理研究

5.4本章小结

第六章YSb和ScSb高压相变的第一性原理研究

6.1 引言

6.2计算方法

6.3结果和讨论

6.3.1 零压下相的稳定性

6.3.2高压下的构型变化

6.3.3 Mulliken电荷和布居分析

6.3.4电子态密度分析

6.4本章小结

第七章KCl高压相变的第一性原理研究

7.1 引言

7.2计算方法

7.3结果和讨论

7.3.1 KCl晶体零压下的几何结构参数

7.3.2 KCl晶体零压下的相稳定性

7.3.3 KCl晶体高压下的相转变

7.3.4压强对KCl晶体B1和B2相电子性质的影响

7.3.5压强对KCl晶体B1和B2相光学性质的影响

7.4本章小结

第八章结论

8.1全文总结

8.2论文创新点

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果

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摘要

近年来,对烧绿石材料抗辐照性能以及二元化合物高压相变的研究受到了广泛的关注。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了结构、键合和电子性质以及缺陷形成能几种因素对镧系锡酸盐烧绿石氧化物材料Ln2Sn2O7(Ln=Sm,Gd,Tb,Ho,Er,Lu,La,Pr,Nd,Y)抗辐照性能的影响。同时对二元化合物ANB8-N(N是A元素的最外层价电子数)在高压下的结构相变行为进行了系统的研究。主要结论如下: 1.利用基于密度泛函理论的平面波赝势程序VASP首次系统地研究了结构、键合和电子性质以及缺陷形成能几个方面对镧系锡酸盐烧绿石氧化物材料Ln2Sn2O7(Ln=Sm,Gd,Tb,Ho,Er,Lu,La,Pr,Nd,Y)抗辐照性能的影响。从结构分析来看,计算得到的晶格常数与实验值吻合很好,表明我们所采用的基组和计算方法是可靠的。氧位置参数x值越大,八面体SnO6对萤石结构的偏离就越小,材料更趋近于萤石结构,抗辐照能力更强,我们预测该系列氧化物的抗辐照性能随镧系Ln3+离子半径的增大逐渐减小,其中,Lu2Sn2O7烧绿石抗辐照性能最强,La2Sn2O7的抗辐照性能最差。从键结合分析来看,<Sn-O48f>键的布居值随镧系Ln3+离子半径的增大呈现出无规律的变化,说明<Sn-O48f>的共价键合不是影响其抗辐照性能的主要因素。从缺陷形成能的分析来看,从Lu3+到Tb3+以及从Gd3+到Nd3+,随着镧系Ln3+阳离子半径的增加,阳离子反位缺陷形成能逐渐增加,抗辐照性能逐渐减弱,这与实验现象是吻合的。Lu2Sn2O7有最低的阳离子反位缺陷形成能,暗示具有最强的抗辐照能力。电子态密度分析表明,Sn5p态和O2p态间存在轨道杂化,这种杂化强弱对材料的抗辐照性能有明显的影响,能带分析显示锡酸盐烧绿石系列材料属于直接带隙型材料,表现出明显的半导体特征。 2.利用基于密度泛函理论的平面波赝势程序DACAPO计算了KCl、MgS、CaS、YSb和ScSb几种二元化合物的高压相变行为。模拟了压强对B1构型和B2构型的力学、电子和光学性质的影响。计算结果表明,在零温零压下这些化合物的B1构型是最稳定的,随着压强的增大,会发生从B1→B2构型的转变。首次发现,对于同周期的三种化合物KCl、CaS和ScSb,随着阳离子半径的逐渐减小,阴阳离子间共价键合逐渐增强,发生B1→B2构型的相变压强也就越大。但同族化合物MgS和CaS,YSb和ScSb,随着阳离子半径的增加,晶格常数增大,B1→B2构型的相变压强减小,阳离子对其相变压强的影响非常显著。我们也从理论上首次预测了这些化合物的其他高压结构相变行为,即MgS和CaS的B3→B2和B4→B2的结构转变以及KCl化合物的B2→T1和B3→T1的结构相变。这将为进一步的实验研究提供一定的理论依据。压强促使了化合物的键长缩短,体积减小,体积模量增大,电荷发生转移,电子性质的变化导致光学性质也相应的发生了变化。研究发现,这几种二元化合物对光的吸收主要集中在紫外光区。

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