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《吉林大学》 2004年
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压力作用下金属锂掺氢体系的电子结构和物理性质

刘志明  
【摘要】:本文采用第一原理分子动力学方法,研究了体材料金属锂中掺杂氢原子的稳定结构形式,在稳定结构下采用密度泛函理论中的赝势-平面波方法计算了体系的能带结构和介电响应特性,研究了压力导致的电子结构和介电响应规律。 根据Bohn-Oppenheimer绝热假定,将体系的离子实热运动和价电子体系进行分离,采用密度泛函理论处理电子体系,求解价电子状态,得到电子结构和物理性质;用第一原理分子动力学方法研究体系离子实的运动规律。 构造16个原子体心立方金属锂基元,用1个氢原子替代锂原子,在不同温度和压力条件下,进行第一原理分子动力学模拟。结果表明,氢原子不能稳定存在于替位位置,而是逃逸到金属锂间隙位置,留下一个稳定空位缺陷,因此可以初步认定掺杂体系的稳定结构应当采取间隙方式。 以16个原子的体心基元,构造间隙方式的掺杂体系,氢原子置于近邻锂原子构成的八面体中心,进行零温条件下的几何优化。结果证明,掺杂体系不属于立方系,而是正交的D4h结构。该结构在压力的作用下短轴和和长轴之比呈现不规则的变化规律,在2~4Gpa压力区间发生跃变。 我们进一步对稳定结构下的掺杂体系的电子结构和介电响应函数进行了研究。计算结果表明,氢原子进入金属锂,导致体系的能带结构发生本质变化,出现了位于费米面下的孤立带和带隙,氢原子能级和锂原子能级在凝聚态下展宽成相互交错的能带,与单质锂体系相比体现为能级的劈裂和位移。氢锂离子势的差异使能带结构发生畸变,偏离准自由电子能带的抛物线形状。尽管如此,体系在费米面附近仍具有较高的状态密度分布,因此体系应表现为金属性。 综合电子结构的研究结果,体系中的氢原子表现为离子属性,它的高负电性导致自由电子的局域化,这部分受到局域的电子受拉远离费米面,形成以氢原子为中心的负电中心,这个负电中心为其它电子提供一个等效的排斥势,促使其能量升高,接近 WP=72 费米面。氢原子以同样的方式影响了导带结构,进而决定体系的物理性质。 掺杂体系中的带间跃迁贡献已使体系呈现金属的低频高反射和高频的全透过,在低频红外区出现了缘于平行带结构的特征反射。在压力的作用下,低价电子带下移,导带上移,能带结构整体展宽。D4h结构下的能带在晶格参数跃变之后发生明显的畸变,并且影响到介电响应,导致在4.3eV附近产生特征反射。 文中同时研究了简单替位体系的电子结构和介电响应,作为一个可能的结构模型用以对比,指出物理性质上的差异。
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