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结构材料中杂质复合缺陷的第一原理电子结构研究

陈征征  
【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(Si_(1-x), Al_x)_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(Si_(1-x), Al_x)_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(Si_(1-x), Al_x)_2基态结构的可行性。


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