高压下三元钍基化合物的结构相变和物性的第一性原理研究

作     者：杜润润 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柯学志

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：三元钍基化合物 结构预测 高压 相变 第一性原理计算 

摘      要：传统的化石能源无法满足人类日益增长的需求。相比之下,核能凭借其高能量密度、无温室气体排放、可靠性和可调度性等特点,在众多新能源中脱颖而出。然而,传统的铀基核燃料在使用过程中存在诸多问题,并且全球铀资源也十分有限。因此,我们亟需寻求新一代核燃料,而钍基核燃料正是其中重要的候选之一。考虑到反应堆中的极端环境,我们需要研究钍基核燃料在极端环境下的晶体结构和物理性质的变化。在理论上对高压下钍基化合物的相变和物理性质的研究,为钍基核燃料的选择以及后续实验合成提供依据和指导。本文主要采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法和粒子群优化算法,研究了 Th2N2S和Th2B2C3两种三元钍基化合物在高压下的结构相变和物理性质。具体内容如下:高压下Th2N2S的结构相变和物理性质的研究。通过对Th2N2S的结构搜索,我们再现了常压下的实验相P3m1相,提出了两个新的高压相:I4/mmm相和Cmmm相。焓压曲线的结果确定了 Th2N2S的相变序列:P3m1(?)I4/mmm(?)Cmmm。声子色散曲线和弹性常数的结果分别从动力学和力学角度证明了 Th2N2S的常压相和高压相在各自特定压强下的稳定性。力学性质的计算结果表明,P3m1相、I4/mmm相和Cmmm相均为韧性材料,三个相中,P3m1相的各向异性程度最小,Cmmm相的各向异性程度最大。电子结构的计算结果表明,常压相P3m1相为半导体,而两个高压相I4/mmm相、Cmmm相均表现为金属性。德拜温度和格林艾森常数的计算结果表明,三相中Cmmm相的化学键强度是最大的,同时其具有最小的格林艾森常数。高压下Th2B2C3的结构相变和物理性质的研究。通过对Th2B2C3的结构搜索,我们提出了两个新的高压相:P2/m相和Cm相。声子色散曲线和弹性常数的结果确定了 Th2B2C3的常压相和高压相的动力学稳定性和力学稳定性。能量体积曲线和焓压曲线的结果揭示了 Th2B2C3随着压强的不断增加发生了两次相变,相变序列:Pnnm(?)P2/m(?)Cm。基于弹性常数,我们研究了 Th2B2C3三相的力学性质,结果表明,三相的B/G值均小于1.75,都属于脆性材料。在各向异性讨论中,Pnnm相和Cm相都接近各向同性,而P2/m相的各向异性程度在三相中最大,趋于各向异性。热力学性质的计算结果表明,随着压强的增大,Th2B2C3各相的德拜温度和声速变大,而格林艾森参数变小。电子态密度的结果揭示了Pnnm相、P2/m相和Cm相的金属性。