金属铝、铜、铂和锂高压物理性质的从头计算

论文摘要

从冲击波压缩数据和室温静高压实验数据出发，外推任意一个温度和压力条件下状态数据，常常需要借助于从头算方法。从头算方法和一定的晶格振动模型近似结合起来，也可以进行无任何参数的物态方程和热物理性质的计算，建立完全物态方程。但是，使用从头算方法进行材料的高温高压性质计算时，往往表现出计算量太大，或者是计算精度不够等缺点。针对这一问题，本研究提出了一种能够用于计算典型金属晶体的高压热物理性质的方法，即基于对势的平均场从头算方法，并利用这种方法对典型金属晶体的高压热物理性质进行了深入研究。 和其他基于离子平均场近似的从头算方法相似，基于对势的平均场从头算方法也假设可以将体系Helmholtz自由能分为3项贡献的加合：静态晶格贡献、电子热贡献、晶格振动贡献。对于静态晶格贡献这一冷的部分和电子热贡献部分，直接利用有限温度密度泛函理论计算。对于晶格振动贡献，则采用本文提出的一种基于对势的平均场模型，它是基于对势的平均场从头算方法的核心。离子的平均场近似理论认为，晶体中的每一个离子的振动位移发生在理想晶格的Wigner-Seitz晶胞中，离子运动之间没有关联，而晶胞的势场是其他所有位于理想晶格格点位置的离子构成的平均场。对势基平均场模型则进一步假设位移离子Wigner-Seitz原胞中的势场，由位移离子与其他处于理想晶格位置的每一个离子之间形成的离子对的相互作用叠加形成，离子对的相互作用由有效对势描述，而有效对势则由电子结构计算的总能与来自有效对势叠加的体系总势能相一致的关系计算。这种方法使得振动配分函数计算较快，而且只少量减低精度。 利用这个从头算方法，对高压下典型金属晶体Al、Cu、Pt等的热物理性质，包括比热、热膨胀系数、物态方程、Gr（?）neisen常数、弹性常数等进行了研究，其中对于铝的研究偏重于方法检测，对于铜的研究以热弹性为主，而对于Pt研究则以研究压标为目的，提出了一个可供参考的高温压标。这些研究取得了与已有实验结果较好相符的计算结果。在缺乏实验结果的温度和压力区域，也作了计算预测，并且与其他的理论结果或者是用其他方法得到的估算结果进行了比较分析。同时，作为对Li的高压热物理性质研究的基础，也对Li的较为复杂低温高压相变进行了研究，发现Hanfland等人所称的新相cI16结构在很高的压力范围并不比f.c.c.结构更加稳定，而是相反。这说明他们发现的这个新相cI16可能并不存在。另外，相变的稳定性的顺序也与他们的结果有所变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 高压物理实验技术简述
• 1.2 材料高压热物理性质从头算方法概述
• 1.2.1 基础性假设与近似
• 1.2.2 准简谐近似方法
• 1.2.3 Debye模型方法
• 1.2.4 从头算分子动力学方法
• 1.2.5 离子平均场近似方法
• 1.3 研究的目的和内容
• 第2章 计算的基本理论与方法
• 2.1 电子结构的从头算方法简介
• 2.1.1 从头算定义及分类
• 2.1.2 基于密度泛函的从头算方法的产生和发展
• 2.1.3 密度泛函方法的基本原理
• 2.1.4 基于密度泛函从头算方法的具体形式
• 2.1.5 基于密度泛函的从头算方法的应用与局限
• 2.2 基于对势的平均场从头算方法
• 2.2.1 物理思想
• 2.2.2 具体实现
• 2.3 高压物理性质的计算
• 2.3.1 物态方程
• 2.3.2 热力学参数
• 2.3.3 弹性常数
• 第3章 铝的热物理性质
• 3.1 引言
• 3.2 计算细节与结果分析
• 3.2.1 零温物态方程
• 3.2.2 高温物态方程
• 3.2.3 热力学参数
• 3.2.4 弹性常数与弹性模量
• 3.3 小结
• 第4章 高温高压下铜的物态方程和弹性
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节与结果分析
• 4.2.1 零温物态方程
• 4.2.2 高温物态方程
• 4.2.3 低温弹性与热弹性
• 4.3 小结
• 第5章 铂的高温高压物态方程
• 5.1 引言
• 5.2 计算细节与结果分析
• 5.2.1 零温物态方程
• 5.2.2 高温物态方程
• 5.3 小结
• 第6章 锂的低温高压相变
• 6.1 引言
• 6.2 计算细节与结果分析
• 6.3 小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 攻读学位期间发表的论文