位错芯区结构及杂质-位错相互作用的第一原理研究

论文题目: 位错芯区结构及杂质-位错相互作用的第一原理研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理学

作者: 严家安

导师: 王崇愚

关键词: 刃位错,第一原理,位错芯区结构,电子结构,偏聚

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 基于密度泛函理论,本文对位错芯区结构和杂质-位错相互作用进行了理论研究。利用第一原理总能计算,首次在 Peierls-Nabarro 框架下研究了量子力学自旋效应和广义梯度近似修正对体心立方结构铁中广义堆垛能以及刃位错芯区结构和性质的影响。计算结果表明,滑移系的广义堆垛能敏感于体系的自旋状态,因而对广义堆垛能的计算需要考虑与磁性相关的自旋效应;对滑移系[1-11](110),仅在包含自旋的情况下可以给出合理的广义堆垛能曲线。与非自旋极化的计算相比,自旋极化的计算给出了较窄的位错芯区、较高的不稳定堆垛能和较大的最大原子回复应力。利用第一原理 DMol 方法,研究了体心立方结构铁中[100](010)刃位错芯区间隙型碳掺杂的择优占位、能量学和掺杂电子结构。计算发现,在位错芯区,电荷密度呈现不均匀分布;芯区 Fe 原子的局域态密度在 Fermi 能级附近出现明显劈裂;C 原子与近邻 Fe 原子成键,且杂化主要来自 C 的 2p 轨道和 Fe 的 3d轨道。能量学计算表明,与压缩区相比,C 原子更倾向于进入位错的扩张区和芯区中心,位错芯区中心对 C 原子表现出捕获效应,因而可形成碳-位错复合体。利用第一原理计算,研究了 B2 结构 FeAl 中轻杂质 B、C、N、O、P 和 S与刃位错的相互作用以及掺杂效应,通过将杂质与位错的相互作用分解为原子尺寸不匹配相关的力学效应和电子结构相关的化学效应,分析了这两种效应对杂质-位错相互作用的影响,并与经典理论进行了对比。基于实验观测结果,研究了 B 在 FeAl [100](010)刃位错芯区的偏聚,讨论了影响 B 偏聚的可能因素。B 的 Cottrell 气团出现在位错压缩区且伴有 Al 减少的实验现象不能归结为简单的 B 替换 Al 或间隙式 B 原子掺杂。计算表明,存在如下几种可能的偏聚机制:B 在位错芯区的扩张区以间隙原子形式存在,与经典的 Cottrell 理论预期相符;同时,B 间隙原子借助于 B 替位能够在压缩区和位错线形成聚集态;B 原子倾向于与空位形成复合体而向位错线偏聚。

论文目录:

第1章 引言

1.1 本章引论

1.1.1 位错理论的提出与发展

1.1.2 位错芯区结构的原子学模拟

1.2 位错芯区结构的第一原理研究

1.3 杂质-位错相互作用中的电子结构因素

1.4 位错芯区的电子结构效应

1.5 选题思想与研究内容

第2章 理论方法

2.1 经典位错理论

2.1.1 线弹性力学理论

2.1.2 直线位错的线弹性理论

2.1.3 Peierls-Nabarro 点阵模型

2.2 量子力学基本原理及基本近似

2.2.1 薛定谔方程

2.2.2 绝热近似

2.2.3 单电子近似

2.3 密度泛函理论(DFT)

2.3.1 Hohenberg-Kohn 定理

2.3.2 Kohn-Sham 方程

2.3.3 体系总能与结合能

2.4 第一原理赝势平面波方法

2.4.1 Bloch 定理

2.4.2 k 点采样

2.4.3 Kohn-Sham 方程的平面波表示

2.4.4 赝势的导出

2.4.5 模守恒赝势

2.5 DMol 方法

2.5.1 自洽场求解

2.5.2 数值基组

2.5.3 结构优化

2.5.4 Mulliken 占据数分析

2.5.5 态密度

第3章 自旋对铁刃位错芯区结构和性质的影响

3.1 本章引论

3.2 计算方法

3.3 计算结果与讨论

3.3.1 体心立方铁块体的性质

3.3.2 广义堆垛能

3.3.3 体心立方铁中刃位错性质

3.4 本章小结

第4章 碳在铁刃位错芯区的掺杂效应

4.1 本章引论

4.2 理论方法和模型

4.2.1 计算方法

4.2.2 刃位错的构建

4.3 计算结果与讨论

4.3.1 原子团大小测试

4.3.2 块体铁中的碳间隙态

4.3.3 位错芯区电子结构

4.3.4 位错芯区间隙型碳的掺杂效应

4.4 本章小结

第5章 轻杂质与FeAl 中刃位错的相互作用

5.1 本章引论

5.2 计算模型与方法

5.3 轻杂质在刃位错芯区的掺杂效应

5.3.1 几何结构

5.3.2 局域态密度

5.3.3 能量学分析

5.4 硼在位错芯区的偏聚机制

5.4.1 计算模型

5.4.2 替位与间隙态

5.4.3 聚集态

5.4.4 硼与Fe 反位缺陷的作用

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-06-29

参考文献

• [1].基于离散效应修正的位错芯结构及Peierls应力计算[D]. 吴小志.重庆大学2009

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