结构材料中杂质复合缺陷的第一原理电子结构研究

论文摘要

杂质是材料中非常重要的一类缺陷。它的存在,不仅会影响材料的电子输运、磁学等方面的性质,同时也会与位错、晶界等其他结构缺陷构成复合缺陷,从而显著的影响材料的强度、韧性等力学性质,甚至决定了材料的基态结构。研究杂质在不同体系中的作用,并寻找微观层面上的解释,除了具有重要的科学意义之外,也会有力的促进高性能的材料设计以及现有材料性能上的改善,因而同时具有很强的应用价值和指导意义。在本篇论文中,利用精确的第一原理量子力学计算方法,我们系统的研究了杂质在不同类型的缺陷体系中的效用,并通过分析这些体系中电子结构和能量学上的变化,阐明了其中的微观机理。通过能量-原子位移曲线可知,当C、N及O处于α-Fe的{001}[110]裂纹前端时,前面二种元素可以阻碍裂纹沿原方向的进一步扩展,而O会加速裂纹的扩展,削弱α-Fe的韧性。进一步分析了掺杂体系的电荷密度、态密度以及给定原子对的原子间相互作用能等结果后,我们发现,起决定作用的是杂质原子与邻近铁原子成键的各向异性:C和N与Fe原子在垂直于裂纹面的方向上的成键强于平行于裂纹面方向的成键,而O原子并没有这种特点。根据Rice-Wang模型,Re偏聚于α-FeΣ5[001]（010）晶界处时,可以强化晶界,增强晶界两侧的Fe原子之间的相互作用,通过分析杂质形成能以及不同元素的化学势发现,Re的作用可归因于其较大的化学势。同时,我们研究了多种杂质元素共偏聚于晶界处时的作用,发现对于两种致韧元素Ti和B而言,（Ti+B）共偏聚不会使得晶界进一步加强。而Ti和致脆元素O共存于晶界时,二者的效果相互抵消。我们定义了杂质偏聚能,发现Ti的存在可以非常有效的抑制O在α-FeΣ5[001]（010）晶界处的偏聚,从而改善α-Fe的韧性。杂质偏聚能在研究杂质共偏聚的时候对于Rice-Wang模型是个很好的辅助分析手段。根据实验,Al取代MoSi2中的Si原子后形成Mo（Si1-x, Alx）2,当x超过10 at.%后会导致Mo(Si1-x, Alx)2发生C11b→C40的相变。基于群论和晶体场理论,我们分析了不同浓度x下Mo(Si1-x, Alx)2体系的态密度,发现因为价电子浓度会随x变化,从而决定了费米能级的位置,因为C1 1b、C 40两种结构对称性的不同,体系的态密度会分裂为不同的子带,费米能级与这些子带的相对位置关系决定了两种结构的相对稳定性。基于这些讨论,我们提出了判断结构稳定性的判据,解释了大部分过渡金属二硅化物的基态结构,并讨论了通过第四元组分调控Mo(Si1-x, Alx)2基态结构的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 本章引论
• 1.2 材料中与杂质相关的问题总结
• 1.2.1 氢脆
• 1.2.2 杂质-晶界相互作用
• 1.2.3 杂质-位错相互作用
• 1.2.4 合金中的杂质
• 1.3 对上述问题的量子力学研究进展
• 1.3.1 准量子力学的模拟工作
• 1.3.2 杂质-晶界复合体系
• 1.3.3 杂质-位错复合体系
• 1.3.4 合金体系中的杂质相关问题
• 1.4 选题背景与研究内容
• 第2章 理论方法
• 2.1 绝热近似与单电子近似
• 2.1.1 薛定谔方程
• 2.1.2 Born-Oppenheimer 近似（绝热近似）
• 2.1.3 Hatree-Fock 近似（单电子近似）
• 2.1.4 Koopmans 定理
• 2.2 密度泛函理论（DFT）
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 交换关联相互作用
• 2.3 离散变分方法
• 2.3.1 自洽场求解
• 2.3.2 结构优化
• 2.3.3 态密度
• 2.4 第一原理赝势平面波方法
• 2.4.1 Bloch 定理
• 2.4.2 截断能量
• 2.4.3 k 点采样
• 2.4.4 Kohn-Sham 方程的平面波表示
• 2.4.5 赝势的导出
• 2.4.6 模守恒赝势
• 2.4.7 晶格振动
• 2.5 工作中相关理论介绍
• 2.5.1 线弹性力学理论基础
• 2.5.2 Griffith 弹性断裂理论
• 2.5.3 Rice-Wang 热力学模型
• 2.5.4 晶格重位点阵模型
• 第3章 轻杂质在α-Fe 裂纹前端的掺杂效应
• 3.1 本章引论
• 3.2 理论方法和模型
• 3.2.1 计算方法
• 裂纹及掺杂体系的构建'>3.2.2 {001} <110>裂纹及掺杂体系的构建
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 团簇大小与自旋极化测试
• 3.3.2 结合能
• 3.3.3 电荷密度及局域分波态密度分析
• 3.3.4 原子间相互作用能
• 3.4 本章小结
• 第4章 杂质与α-Fe 中晶界的相互作用
• 4.1 本章引论
• 4.2 模型与计算方法
• 4.3 取代式元素Re 在α-FeΣ5[001]/（010）晶界处的掺杂效应
• 4.3.1 能量学分析
• 4.3.2 电子结构分析
• 4.4 Ti 与 B、O 在α-Fe 晶界共偏聚的研究
• 4.4.1 计算模型及结构分析
• 4.4.2 结合能与偏聚能分析
• 4.4.3 局域态密度
• 4.4.4 局域格位能
• 4.5 本章小结
• 1-x,Al_x)₂ 相变的电子结构研究'>第5章 Mo(Si_1-x,Al_x)₂相变的电子结构研究
• 5.1 本章引论
• 5.2 模型与计算方法
• 5.3 计算结果及讨论
• 5.3.1 Al 原子占位分析
• 5.3.2 能量学分析
• 5.3.3 弹性模量及声子谱分析
• 5.3.4 态密度分析
• 5.3.5 通过合金化控制体系结构的可能性研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果