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稀土烧绿石几何与电子结构的第一性原理研究

张智良  
【摘要】: 烧绿石材料有多种组分,而组分的不同使得该类型材料种类繁多。烧绿石材料结构式可表示为A2B2O7,式中A可以是三价阳离子或二价阳离子,而B可以为四价或者五价阳离子。目前烧绿石材料已有500多种合成化合物,多样的化学组分使得烧绿石材料性能呈现出多样性,而性能的多样变化决定了技术上的广泛应用。这些应用主要包括:催化剂,压电材料,铁电材料,铁磁材料,发光材料及巨磁阻材料。实验研究表明,烧绿石材料可用来固化钚、铀、以及含锕系元素的核废料。 近些年来,计算机技术在理论上和应用上都飞速发展,这也同时带来了密度泛函理论方法(Density Functional Theory,DFT)迅速发展,该方法目前在过渡金属研究领域有着广泛的应用。基于密度泛函的第一性原理方法目前已被用于研究部分烧绿石结构的电子结构对其稳定性的影响,并取得了令人瞩目的成果。本研究正是利用上述方法中的广义梯度近似方法,对钛酸盐和锆酸盐烧绿石成分展开了研究。本研究主要包括以下内容和结果: 1.本次工作研究了A2Ti2O7 (A =Lu, Er, Y, Gd, Sm, Nd, La )的几何结构与电子性能。通过计算不同烧绿石成分各种缺陷形成能,来分析它们的相变过程,严正实验结果,预测材料性质。通过计算上述烧绿石成分的缺陷形成能我们发现,阳离子反位缺陷形成能不仅仅与A位置阳离子半径相关。随着A位置阳离子半径由Lu增加到Gd,所研究化合物阳离子反位缺陷形成能逐渐增加,但是当A位置阳离子半径继续由Gd增大到La时,阳离子缺陷反位缺陷形成能却减小,这一结果与之前的实验研究结果非常吻合。对计算结果进行分析发现,虽然Ti-O48f之间的相互作用更强,但是A-O48f键对所研究的烧绿石结构成分的抗辐照性能有更大的影响。 2.对A2Zr2O7(A = Gd, La, Sm, Y, Nd)的几何性质与缺陷形成能进行了研究,计算得到的结构参数与实验结果非常接近,缺陷形成能的大小能够很好解释实验上所观察到的现象。分析结果表明,缺陷形成能的大小不与结构参数成线性关系。


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