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第一性原理计算方法在拓扑材料研究中的应用

数据与计算发展前沿 2014年第4期 20-26页

作者：刘军伟王建峰史武军段文晖清华大学物理系

第一性原理计算方法是随着计算机计算能力的增强而发展起来的计算材料性质的最为有效的方法之一,而拓扑绝缘体等拓扑材料的理论预言和实验验证极大地促进了拓扑概念在凝聚态物理中的发展。本文简单介绍第一性原理计算在拓扑材料的相应... 详细信息

第一性原理计算方法是随着计算机计算能力的增强而发展起来的计算材料性质的最为有效的方法之一,而拓扑绝缘体等拓扑材料的理论预言和实验验证极大地促进了拓扑概念在凝聚态物理中的发展。本文简单介绍第一性原理计算在拓扑材料的相应研究中所发挥的巨大作用。第一性原理计算不仅准确地预言了Bi2Se3类三维拓扑绝缘体、SnTe类拓扑晶体绝缘体及磁性原子掺杂的(Bi,Sb)2Te3类量子反常霍尔绝缘体等拓扑材料,同时在研究这些材料的具体性质中,如缺陷、表面稳定性及其表面态等,也发挥了重要的作用。

关键词：第一性原理方法拓扑绝缘体拓扑晶体绝缘体

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第一性原理计算方法在拓扑材料研究中的应用

科研信息化技术与应用 2014年第4期5卷 20-26页

作者：刘军伟王建峰史武军段文晖清华大学物理系北京100084

关键词：第一性原理方法拓扑绝缘体拓扑晶体绝缘体

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高通量计算二维材料界面摩擦

物理学报 2023年第2期72卷 219-229页

作者：崔子纯杨莫涵阮晓鹏范晓丽周峰刘维民西北工业大学材料学院先进润滑与密封材料中心西安710072 西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院西安710072 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室兰州730000

建立了基于第一性原理方法研究二维材料界面摩擦的高通量计算程序,该程序实现了自动化批量建模、批量提交任务、多任务并发计算,以及计算结果自动收集、处理和图像绘制,使用该程序可以节省时间.采用此程序计算了不同层间距离下双层氮化... 详细信息

建立了基于第一性原理方法研究二维材料界面摩擦的高通量计算程序,该程序实现了自动化批量建模、批量提交任务、多任务并发计算,以及计算结果自动收集、处理和图像绘制,使用该程序可以节省时间.采用此程序计算了不同层间距离下双层氮化硼和双层石墨烯的滑移势能面,及层间界面摩擦力和摩擦系数.研究发现,随着层间距离减小,双层氮化硼界面的平均摩擦力近似线性增大,摩擦系数为0.11—0.17,双层石墨烯界面摩擦力先增大后减小再增大,其摩擦系数在12 nN载荷下达到最小值(0.014),这些结果与已有研究结果一致,验证了该计算程序的可靠性.此外还研究了表面氢化和氟化对双层氮化硼界面摩擦的影响,发现氟化氮化硼/氮化硼界面的摩擦系数更低.

关键词：第一性原理方法高通量计算势能面摩擦系数

应变工程中Bi(111)薄膜的半导体-半金属转变及其机理

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金属学报 2022年第7期58卷 911-920页

作者：任师浩刘永利孟凡顺祁阳东北大学材料科学与工程学院沈阳110819 辽宁科技大学理学院锦州121001

基于第一性原理,系统研究了不同层数Bi(111)薄膜的几何结构和能带性质,以及双轴应变对Bi(111)薄膜结构与电学性能的调控作用。研究结果表明:Bi(111)薄膜的几何结构以及能带性质具有厚度依赖性。随着厚度的增加,薄膜晶格常数增大,屈曲高... 详细信息

基于第一性原理,系统研究了不同层数Bi(111)薄膜的几何结构和能带性质,以及双轴应变对Bi(111)薄膜结构与电学性能的调控作用。研究结果表明:Bi(111)薄膜的几何结构以及能带性质具有厚度依赖性。随着厚度的增加,薄膜晶格常数增大,屈曲高度降低,表面能增加,带隙减小,并在3个双层时由半导体性质转变为半金属性质;对1个双层Bi(111)薄膜施加拉伸应变,可诱发间接带隙到直接带隙的转变以及能带反转;施加压缩应变可诱发半导体到半金属性质的转变,通过近带边电子轨道的成键性质分析,揭示了成键态和反键态对应变的不同响应速率,引起了导带底的转移,从而导致了半导体到半金属转变。类似的半导体到半金属转变也可在应变作用下的2~5个双层厚Bi(111)薄膜中预测到。应变也可调节Bi(111)薄膜的电子和空穴的有效质量,从而可能影响薄膜传输特性。

关键词： Bi薄膜应变能带结构第一性原理方法

空位对Hf-Ta-C体系的结构、力学性质及电子性质影响的第一性原理研究

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无机材料学报 2022年第1期37卷 51-57页

作者：彭军辉 TIKHONOV Evgenii 西北工业大学材料学院材料发现国际中心西安710072 太原工业学院材料工程系太原030008

本研究理论预测了三元Hf-Ta-C空位有序结构以及空位对力学性质的影响。采用第一性原理进化晶体结构预测软件USPEX,预测得到了5种热力学稳定和3种亚稳的(Hf,Ta)C_(1-x)空位有序结构,这些结构都属于岩盐结构。采用第一性原理方法,计算了(H... 详细信息

本研究理论预测了三元Hf-Ta-C空位有序结构以及空位对力学性质的影响。采用第一性原理进化晶体结构预测软件USPEX,预测得到了5种热力学稳定和3种亚稳的(Hf,Ta)C_(1-x)空位有序结构,这些结构都属于岩盐结构。采用第一性原理方法,计算了(Hf,Ta)C_(1-x)空位有序结构的力学性质,并分析了力学性质随空位浓度的变化。(Hf,Ta)C_(1-x)都具有较高的体模量、剪切模量、杨氏模量和维氏硬度;各(Hf,Ta)C_(1-x)的Hf/Ta比相同时,其模量、硬度等随空位浓度增大而减小。最后,计算了(Hf,Ta)C_(1-x)的电子态密度,发现其均具有强共价性和弱金属性。本研究结果对于了解Hf-Ta-C体系的空位结构及其力学性质和应用,具有重要参考价值。

关键词： Hf-Ta-C体系空位有序结构维氏硬度第一性原理方法

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磁控溅射薄膜生长的模拟方法

表面技术 2022年第2期51卷 156-164页

作者：王晓倩赵晋刘建勇天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387

磁控溅射技术制备的薄膜膜层均匀,内部无气孔,密度高,与衬底的附着性良好,薄膜质量高,被广泛应用于科学研究和工业生产中,且适合应用计算机模拟来研究溅射过程和溅射结果,这样既可以检验模拟的准确性,又可以对实验现象的内在意义进行挖... 详细信息

磁控溅射技术制备的薄膜膜层均匀,内部无气孔,密度高,与衬底的附着性良好,薄膜质量高,被广泛应用于科学研究和工业生产中,且适合应用计算机模拟来研究溅射过程和溅射结果,这样既可以检验模拟的准确性,又可以对实验现象的内在意义进行挖掘,为后续实验提供参考信息。在介绍磁控溅射薄膜生长常用模拟方法原理的基础上,详细讨论了第一性原理(First-principles calculations)、分子动力学(Molecular dynamics,MD)和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)等3种方法的适用条件和模拟结果,从3种方法适合解决的问题、相互之间的区别等方面,对国内外最新的研究进展进行总结与分析。发现3种方法在精确度和计算量上依次递减,在可模拟的时间和空间尺度上依次递增,在模拟对象上,第一性原理方法由于其高度的精确性被广泛应用于对薄膜本身的性质或对粒子间的运动等方面,且模拟结果可以是具体数值,从而对实验进行更加精确的预测和指导,分子动力学方法多用于模拟薄膜生长过程和原子间行为等方面,蒙特卡洛方法相较于前两者,用途更加广泛,可模拟的对象除了薄膜本身,也可以对电磁场等进行模拟。最后,对磁控溅射薄膜生长模拟未来的研究方向进行了展望。

关键词：磁控溅射第一性原理方法分子动力学方法蒙特卡洛方法数值模拟薄膜

Sn含量对Zr-Sn-0.2Fe-0.1Cr合金高温蒸气氧化行为的影响

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稀有金属材料与工程 2023年第3期52卷 1062-1072页

作者：查学鹏赵晨曦谢耀平高长源胡丽娟姚美意上海大学材料研究所上海200072 中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所广东深圳518000

锆合金的高温蒸气氧化行为是失水事故下需要重点关注的问题之一。为了研究Sn对锆合金高温蒸气氧化行为的影响,开展了不同Sn含量的SH12(Zr-0.75Sn-0.2Fe-0.1Cr,质量分数,%)和Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)合金在模拟失水事故工况下1000、1... 详细信息

锆合金的高温蒸气氧化行为是失水事故下需要重点关注的问题之一。为了研究Sn对锆合金高温蒸气氧化行为的影响,开展了不同Sn含量的SH12(Zr-0.75Sn-0.2Fe-0.1Cr,质量分数,%)和Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)合金在模拟失水事故工况下1000、1050、1100和1200℃的高温蒸气氧化试验。采用光学显微镜、电子探针、显微硬度计分析了氧化样品的显微组织以及氧化前后样品的显微硬度。结果表明:低Sn的SH12比高Sn的Zr-4合金的抗高温蒸气氧化性能更好,这说明降低Sn含量可以改善锆合金的抗高温蒸气氧化性能。氧化前,SH12合金的显微硬度低于Zr-4合金,而氧化后SH12合金基体的显微硬度明显高于Zr-4合金,与氧化后SH12合金基体中的氧含量高于Zr-4合金的结果相吻合,这说明Sn有抑制氧在Zr基体中扩散的作用。通过第一性原理计算,发现Sn容易与O结合,从而抑制了O在锆基体中的扩散,这合理解释了氧化后SH12合金中的氧含量比Zr-4合金高的原因。

关键词：锆合金失水事故高温蒸气氧化氧的扩散第一性原理方法

三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质的第一性原理研究

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物理学报 2021年第21期70卷 229-239页

作者：彭军辉 Tikhonov Evgenii 西北工业大学材料学院材料发现国际中心西安710072 太原工业学院材料工程系太原030008

采用第一性原理方法,研究了三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质.首先采用第一性原理和进化算法,预测得到8种可能存在的热力学稳定的Hf-C-N空位有序结构;这些结构都具有岩盐结构,与实验发现的无序固溶体的结构类型一致... 详细信息

采用第一性原理方法,研究了三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质.首先采用第一性原理和进化算法,预测得到8种可能存在的热力学稳定的Hf-C-N空位有序结构;这些结构都具有岩盐结构,与实验发现的无序固溶体的结构类型一致.本文的预测结果证明了Hf-C-N空位化合物能够以有序结构形式存在,空位与C,N原子都位于[Hf6]八面体间隙,这一结构特点与Hf C_x的相同.然后采用第一性原理方法,计算了Hf-C-N空位有序结构的力学性质,发现除C∶N=1∶4外,相同C/N下,随着空位浓度的增大,Hf-C-N的体模量、剪切模量、弹性模量、Pugh比、维氏硬度等降低;而Hf6CN4(空位浓度为1/6)的维氏硬度高于Hf_5CN_4(无空位),表现出空位硬化现象.最后,计算了Hf-C-N空位有序结构的态密度和晶体轨道哈密顿分布,发现其具有强共价性和金属性;且随着空位浓度增大,总体键强减弱,因而模量减小.

关键词： Hf-C-N空位有序结构空位维氏硬度第一性原理方法

双磁性中心内嵌富勒烯Y^(2)C^(2)@C^(82)-C^(2)(1)中的超快自旋动力学行为

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物理学报 2019年第2期68卷 72-79页

作者：黄瑞李春金蔚 Georgios Lefkidis Wolfgang Hübner 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119 德国凯泽斯劳滕工业大学物理系OPTIMAS研究中心德国凯泽斯劳滕67653

自旋翻转和自旋转移是实现基于内嵌富勒体系自旋逻辑功能器件设计的先决条件.本文以双磁性中心内嵌富勒烯Y_2C_2@C8_2-C_2(1)体系为例,采用第一性原理计算方法,结合Λ进程理论模型和自编的遗传算法程序,在该内嵌富勒烯体系中分别实现了... 详细信息

自旋翻转和自旋转移是实现基于内嵌富勒体系自旋逻辑功能器件设计的先决条件.本文以双磁性中心内嵌富勒烯Y_2C_2@C8_2-C_2(1)体系为例,采用第一性原理计算方法,结合Λ进程理论模型和自编的遗传算法程序,在该内嵌富勒烯体系中分别实现了亚皮秒时间尺度内的自旋翻转和自旋转移过程.计算结果表明,优化后的内嵌Y_2C_2团簇结构和实验得到的各项数据基本吻合,并且会对外部的C8_2-C_2(1)笼结构产生一定的排斥力,但由于富勒烯笼状结构具有很强的稳定性,所以整个体系仍然保持碳笼结构的完整性.通过对自旋密度分布与激光脉冲作用下自旋期望值演化的具体分析,经由Λ进程的自旋翻转是基于两个Y元素的整体自旋翻转;自旋转移则源自两个磁性中心以及碳笼之间在激光脉冲作用下的自旋密度重新分布.本文结果揭示了Y_2C_2@C8_2-C_2(1)体系中的超快自旋动力学机理,可望为基于实际内嵌富勒烯分子的自旋逻辑功能器件设计提供理论依据.

关键词：内嵌富勒烯 Λ进程自旋动力学第一性原理方法