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铀和二氧化铀光学性质第一性原理计算

谭世勇  
【摘要】: 本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下,系统研究了金属α-U和UO_2的晶体结构,弹性常数,体模量,电子能带结构和光学性质。 计算主要针对α-U,α-U属于正交晶系,所属空间群:63-Cmcm。首先采用GGA近似对α-U进行了几何结构优化,以找到系统的稳定基态结构,计算得到的晶格常数与实验值非常吻合。然后计算了α-U的九个各向异性弹性常数,进而得到了其体模量,剪切模量,杨氏模量等参数。弹性常数计算结果与E.S.Fisher等人的实验值和P.Soderlind采用全势线性Muffin-tin轨道(FP-LMTO)方法计算结果吻合。得到的弹性模量B_0=133.9GPa,剪切模量G=96.02GPa,他们的比值为1.37,根据Pugh经验判据,表明铀成脆性,与实验吻合。 铀的能带结构计算结果表明,铀在价电子区域,主要有三个较大的能带,在费米能级附近,5f,6d轨道参与成键,其中,5f轨道非常窄而且强,表现出一定的局域性。得到铀的电子基态以后,根据单电子近似和直接跃迁定则,计算了光学函数的矩阵元,得到了铀的介电函数虚部ε_2,再根据Kramas-Kronig关系,得到其实部ε_1,这样,就可以理论推导出铀的其它光学函数,像吸收系数,反射系数,电子能量损失谱等。对铀的各光谱性质,结合其能带结构,详细分析了各吸收峰的物理机制,并与相关实验数据作了对比分析。 金属铀在外界条件下氧化一般得到的是二氧化铀,UO_2属于fcc晶系,所属空间群:225-Fm3m。尝试采用不同的方法对UO_2的几何结构进行了优化,结果表明,GGA比LDA对二氧化铀的描述更好。因此,采用了GGA(PW91),超软赝势并结合自旋极化计算了UO_2的结构性质和弹性,计算结果与实验吻合较好。因为没有考虑强的库仑相互作用,计算结果得到了金属态UO_2,这是传统的LDA,GGA方法的局限性所在。最后,定性分析了二氧化铀的介电函数,得到了其6d电子轨道劈裂能,与实验较为吻合。


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