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Study on Band Structure of ybb_6 and Analysis of Its Optical Conductivity Spectrum

Journal of Rare Earths 2007年第6期25卷 654-664页

作者：姜骏卞江黎乐民 Beijing National Laboratory of Molecular Sciences State Key Laboratory of Rare Earth Materials Chemistry and Applications College of Chemistry and Molecular Engineering Peking University

The electronic structure of ybb6 crystal was studied by means of density functional （GGA ＋ U） method. The calculations were performed by FLAPW method. The high accurate band structure was achieved. The correlation between the feature of the band structure and the Yb-B6 bonding in ybb6 was analyzed. On this basis, some optical constants of ybb6 such as reflectivity, dielectric function, optical conductivity, and energy-loss function were calculated. The results are in good agreement with the experiments. The real part of the optical conductivity spectrum and the energy-loss function spectrum were analyzed in detail. The assignments of the spectra were carried out to correlate the spectral peaks with the interband electronic transitions, which justify the reasonable part of previous empirical assignments and renew the missed or incorrect ones.

关键词： ybb6 band structure optical conductivity energy-loss function spectrum assignment rare earths

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ybb_6的能带结构和光电导率谱的解析

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中国稀土学报 2007年第5期25卷 522-532页

作者：姜骏卞江黎乐民北京分子科学国家实验室稀土材料化学及应用国家重点实验室北京大学化学与分子工程学院北京100871

用密度泛函(GGA+U)方法研究ybb6晶体的电子结构。采用FLAPW方法进行计算,获得了比较精确的能带结构信息。分析了ybb6能带结构的特征与Yb-B6簇间成键情况的联系。在此基础上计算ybb6的反射率、介电函数、光电导率和能量损失函数等光学常... 详细信息

用密度泛函(GGA+U)方法研究ybb6晶体的电子结构。采用FLAPW方法进行计算,获得了比较精确的能带结构信息。分析了ybb6能带结构的特征与Yb-B6簇间成键情况的联系。在此基础上计算ybb6的反射率、介电函数、光电导率和能量损失函数等光学常数,结果与实验值符合比较好。对其光电导率(实部)和能量损失函数谱进行详细分析,对谱峰作出指认,阐明了各谱峰与能带间电子跃迁的联系,证实了前人对谱峰所作经验指认的合理部分,补充和纠正了前人经验指认的不足和不准确之处。

关键词： ybb6 能带结构光电导率能量损失函数谱指认稀土

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稀土外加剂掺杂Ti-6Al-4V显微组织和力学性能的研究

稀土外加剂掺杂Ti-6Al-4V显微组织和力学性能的研究

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作者：元想胜长安大学

学位级别：硕士

Ti-6Al-4V钛合金因其组织结构稳定、耐腐蚀性能和生物相容性好等优点被广泛应用于航空航天和生物医学等领域。但Ti-6Al-4V钛合金在室温下的可塑性、耐磨性较差且加工硬化严重,因此限制了其应用范围。为了解决此问题,本研究利用放电等离... 详细信息

Ti-6Al-4V钛合金因其组织结构稳定、耐腐蚀性能和生物相容性好等优点被广泛应用于航空航天和生物医学等领域。但Ti-6Al-4V钛合金在室温下的可塑性、耐磨性较差且加工硬化严重,因此限制了其应用范围。为了解决此问题,本研究利用放电等离子烧结(Spark plasma sintering,即SPS)工艺优化及添加稀土化合物(YO、YH和ybb)的方法来提高Ti-6Al-4V钛合金的力学性能。实验结果显示,SPS的较佳参数为:烧结压力30 MPa、烧结温度1100℃、升温速率100℃/min和保温时间5 min。对于稀土外加剂的研究结果发现,稀土化合物的种类以及加入量对钛合金的显微组织及力学性能都有着显著的影响。当在钛合金中加入YO时,通过SPS烧结制备的Ti-6Al-4V+x YO复合材料的微观组织从魏氏组织向双态组织发生转变,晶粒明显细化。当YO加入量为0.7wt%时,制备的复合材料的致密度和维氏硬度分别为99.35%和392HV;拉伸屈服强度、最大抗拉强度和伸长率也有所增加,分别为913 MPa、1088 MPa、7.9%。SEM分析发现,添加YO后制备的复合材料断裂方式为韧性断裂。当在钛合金中加入YH时,制备的Ti-6Al-4V+xYH复合材料的微观组织从片状α和晶间β发生转变,α相变得粗大,且趋于片层状,且组织主要由α相和转变β相组成。并且在添加YH后通过原位反应在复合材料内部生成YO,内生的YO主要分布在晶内,还有一小部分分布在晶界处,对晶粒的长大有抑制作用。当加入0.5wt%YH时,制备的复合材料的致密度和维氏硬度分别为99.50%和565 HV;压缩屈服强度和最大抗压强度得到了提高,分别为1740 MPa和2199 MPa。对于ybb的研究结果显示,烧结后的Ti-6Al-4V+xybb复合材料中会出现由于原位反应所生成的Ti B及YbO,生成的Ti B具有高弹性模量和硬度且与Ti基体化学相容性好。当ybb加入量为0.6wt%时,制备的复合材料的致密度和维氏硬度分别为99.43%和403HV;拉伸屈服强度、最大抗拉强度和伸长率得到了提高,分别为903 MPa、1148MPa和4.3%。添加ybb后制备的复合材料的断裂形式为韧性和脆性混合性断裂。综合研究结果发现,添加YO后对钛合金复合材料的韧性有明显提高,力学性能也由于细晶强化的效果表现优越;添加YH后对钛合金复合材料的硬度提升很大,因此耐磨性提高,压缩强度也有很大提高,由于原位反应对复合材料的除氧效果有很大改善,但材料脆性太大;添加ybb后,会发生原位反应生成Ti B晶须和Yb的化合物颗粒,生成的Ti B以长块状及晶须状的形式存在于晶粒内部且具有六边形截面,有利于钛合金复合材料强度的提高。

关键词： Ti-6Al-4V 放电等离子烧结 Y2O3 YH2 ybb6

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稀土六硼化物拓扑绝缘体特性的研究

稀土六硼化物拓扑绝缘体特性的研究

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作者：吴晨雨山东大学

学位级别：硕士

拓扑绝缘体是内部绝缘、表面导电的一种全新的量子物态,凭借其新奇的物理性质,成为近些年来非常热门的研究领域。由于表面态受到时间反演对称性的保护,对无序等微扰具有良好的鲁棒性,因此,其在自旋电子学、新型二维电子器件和量子计算... 详细信息

拓扑绝缘体是内部绝缘、表面导电的一种全新的量子物态,凭借其新奇的物理性质,成为近些年来非常热门的研究领域。由于表面态受到时间反演对称性的保护,对无序等微扰具有良好的鲁棒性,因此,其在自旋电子学、新型二维电子器件和量子计算机等领域具有巨大的应用前景。稀土六硼化物是含有f电子的强关联体系,因此表现出各种奇异的电子性质:超导性、优异的电子发射性能、近藤效应、混合价态和拓扑性质等,这使得稀土六硼化物受到广泛关注和研究。2010年,拓扑近藤绝缘体这一概念被首次提出并理论预测六硼化钐(SmB6)可能是候选材料,之后的十多年,大量的理论与实验报道相继证实使得SmB6成为第一个拓扑近藤绝缘体。后来,六硼化镱(ybb6)也被预测是拓扑绝缘体。但理论计算和实验两方面对于SmB6和ybb6是否是拓扑绝缘体近十年来争议从未停止。并且三维拓扑绝缘体研究相比较少,强关联体系的拓扑性质研究更是增添难度。本文利用密度泛函理论,对SmB6和ybb6的电子结构、不同面的表面态等进行了系统研究,本文的主要结论如下:首先,通过分析SmB6的电子结构可知,由于自旋轨道耦合(SOC)作用,Sm的4f与5d电子之间发生轨道杂化,产生能带反转,在高对称点X点处打开一个小的能隙19 meV(实验值在几个meV到20 meV之间);通过表面能计算,发现SmB6(001)面的slab结构以Sm和B6为终结面都可能出现,但Sm终结面更稳定些;并且这两个终结面在块体能隙区域内都有金属表面态;SmB6的Z2拓扑数为(1;111),在极性(001)面、非极性(110)和(111)面都存在表面态,且狄拉克锥的数目都是三个;在(110)表面,Y点的表面态具有“拓扑晶体绝缘体”性质,得到SmB6的三个镜面陈数的绝对值分别是2、1、1;这些都表明SmB6是拓扑绝缘体,为证明SmB6的拓扑绝缘体特性提供一些有力的证据。其次,和SmB6不同,在ybb6中,Yb的5d与B的2p在SOC作用下能带反转,同样在X点处打开一个能隙,块体ybb6表现绝缘特性;ybb6的Z2拓扑数为(1;111),同样在三个不同表面都存在表面态,狄拉克锥的数目都是三个,表明ybb6的拓扑特性。在SOC作用下,4f能带劈裂为4fj=5/2和j=7/2,劈裂的带宽与实验较为符合,但相对费米能级的能量位置仍有较大差距;当GGA+SOC+U(U=7eV)时,4fj=7/2能带下移至费米能级以下-1.0eV附近,此时与实验符合较好,这说明ybb6的 4f电子具有强关联特性。并且由于Yb的4f能带位于价带-1.0 eV处,因此ybb6无近藤效应。之后,通过U值对ybb6能带结构的影响分析,随着U值的增大,ybb6由半导体变成半金属,当U值为14 eV时能带反转消失,意味着拓扑性质同时消失,ybb6从半金属变为普通绝缘体。这些对进一步认识ybb6的拓扑特性具有重要的理论意义。最后,我们探究了应变对SmB6和ybb6的影响。在-16%到12%的应变范围内,SmB6结构稳定,马利肯电荷分析表明随着压缩应变增大,Smf轨道的电荷量减少,与实验相符;在拉伸应变下,能隙近似呈单调递减,但没有关闭,仍保持拓扑绝缘态;但在压缩应变下,能隙先增大再减小,压缩应变为-12%时,能隙消失,SmB6从绝缘体转变为金属。在-10%到10%的应变范围内,ybb6同样具有良好的结构稳定性;在采用GGA+SOC方法时,发现随着压缩应变增大,Ybf轨道的电荷量从13.73减小到13.49;在整个应变范围内,能隙呈单调递减,中间没有关闭,说明能隙对应变不敏感,ybb6的拓扑绝缘性质几乎没有受到影响。但在采用GGA+SOC+U(U=7 eV)方法时,压缩应变在0到-5%范围内,Yb5d与B 2p间的能带反转范围随之增大,表明ybb6的拓扑性质依然存在;而随着拉伸应变的增大,能带反转范围缩小,到3%时,能带反转消失,这说明ybb6的拓扑性质消失,变成普通绝缘体。研究结果揭示了应变对于稀土六硼化物的拓扑调控的可能性,为拓扑绝缘体材料的实现提供了研究方向。

关键词：稀土六硼化物 SmB6 ybb6 拓扑绝缘体第一性原理

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