高压下钒的结构相变的第一性原理计算研究

论文摘要

同一种物质有着不同的晶体结构,不同的晶体结构对其作为材料的性能有很大的影响,所以结构相变及其相变机制的研究对于许多领域如材料科学,地球科学,化学物理科学是非常重要的。结构相变及其相变机制的研究是最近实验和理论研究的热点,如对相变材料Ge2Sb2Te5和GeTe,固态氧,磁电材料BiFeO3,低维的离子晶体的结构相变研究以及对锕类金属钚Pu结构相变机制的研究等。过渡金属钒由于有较高的超导转变温度Tc ,最近成为实验和理论研究的主题,对钒在高压下的结构相变研究文献中存在分歧。本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了钒在高压下的结构相变,结构相变序列为体心立方结构-菱面体结构-体心立方结构,相变压强分别为70GPa和380GPa。具体做了以下的工作:1、对钒的基态几何结构进行了优化,常压下钒为体心立方结构,优化得到的平衡晶格常数、体模量与实验理论符合较好。给出了约化体积随着压强变化的关系图,随着压强的增大,约化体积是逐渐减小的,减小的程度随压强的增大而变小,这些和实验上的结果定性符合的很好。2、计算研究了体心立方结构的钒在高压下发生什么结构相变。通过对体心立方结构的钒在不同压强下剪切弹性系数C 44的计算,发现当压强约95GPa时剪切弹性系数小于0,说明体心立方结构的钒在此条件下是不稳定的。通过计算后发现钒在高压下不会发生体心立方到简立方的结构相变,而是发生体心立方到菱面体的结构相变,相变压强约为70GPa,与实验得到的结果符合较好（Phys.Rev.Lett.98,085502）。当压强约为380GPa时,将会发生菱面体到体心立方结构的相变,这提供了一个理论性的预言有待实验的进一步检验。3、分析了钒在高压下发生体心立方到菱面体的结构相变原因。主要是由于费米面在第三能带的带内嵌套,另外s, p-d电子跃迁和带的Jahn-Teller扭曲也是该结构相变原因。不同压强下钒的s, p, d壳层电子占据数计算表明,高压导致的s, p-d电子跃迁使费米能级移到电子稳定范围之外,从而使体心立方结构的钒不稳定。本文首次给出钒的菱面体结构在高压下的能带结构,结果表明发生了带的Jahn-Teller效应即原来三重简并的Γ25,发生分裂并导致总能减少。当压强增大到120GPa时,一个分裂的能级移到费米能级以下导致费米能级处的态密度减少,这可能对在120GPa时钒的超导转变温度Tc反常研究给出了重要信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 结构相变概述
• 1.2 钒在高压下结构相变概述
• 1.3 论文的主要工作和创新之处
• 参考文献
• 第二章 第一性原理计算理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 从头算法
• 2.3 密度泛函理论
• 2.4 LDA 和GGA 处理方法
• 2.5 基矢波函数和赝势方法
• 2.6 自洽电子弛豫方法
• 2.7 常用软件包简介
• 参考文献
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 几何结构优化
• 3.3.2 钒在高压下的结构相变
• 3.3.3 相变原因分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 论文总结与展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文