第一性原理研究TiH_2的结构和热力学性质.pdfVIP

中国科学: 物理学 力学 天文学 2011 年 第41 卷 第2 期: 207 ~ 213 SCIENTIA SINICA Phys, Mech Astron SCIENCE CHINA PRESS 论 文 第一性原理研究TiH2 的结构和热力学性质 * 刘显坤, 张旸, 郑洲, 兰晓华 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 绵阳 621900 * E-mail: xiankun_liu@163.com 收稿日期: 2010-08-03; 接受日期: 2010-09-13 国防预研项目资助(编号: 2010250) 摘要 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了TiH2 原胞体系的晶体结构、电子 结构和总能, 获得了体系的稳定晶格常数、总体能量与体积的函数关系. 并利用准谐德拜模型研究了在不同 温度(T=0~1800 K)和压力(P=0~140 GPa)下TiH2 的热力学性质, 如弹性模量与压强, 热熔与温度, 热膨胀系数 与温度或压力的变化关系. 结果表明: TiH2 的晶格常数与实验值符合较好; 在一定温度下, 相对体积、热熔随 着压强的增加而减少, 德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加; 而定容热容 CV 随温度升高而升高, 高压 下温度对TiH2 热膨胀系数的影响小于压强对热膨胀系数的影响. 关键词 第一性原理, TiH2, 热力学性质 PACS: 62.50.+p, 65.60.+a, 65.40.-b 众所周知, 材料的宏观性能与微观机制密切相 靶材料[14], 其原理是利用加速的氘离子轰击氚靶材 关, 尤其是研究材料在高温高压下的结构、弹性模 料中的氚, 使其发生核反应: D+T—4He+n+17.6 MeV, 量、热熔和热膨胀系数等性质, 将有助于我们更深入 利用核反应产生的中子来开展各种中子物理实验研 地认识材料的性能. 因为在不同温度和压力下, 材料 究. 氚靶常放在密封的中子管内, 使用时由于受到氘 所表现出来的性质不同[1~5]. 近年来, 极端条件(高温 离子不断轰击, 靶材料温度会升高, 甚至达到 1200 K 高压)下材料的性能和微观机制研究已经成为材料科 的高温. 另外, 中子物理实验一般要求中子管能连续 学领域内广大研究人员十分关注的热门研究方向[6~9], 工作几个甚至上千小时, 这就要求氚靶材料不仅要 [15] 研究材料在高温、高压下的晶体结构、电子结构和热 有较高的氚密度, 还需要具备良好的热稳定性 . 力学性质, 对物质原子层间化学键特性和结构稳定 近年来, 国内外学者已对 Ti-H 体系进行了大量 性的分析与评估具有重要意义[10~13]. 研究, 如 Charles[16]利用核磁共振方法研究了 Ti-H 体 过渡金属 Ti 是迄今为止发现的吸氢密度比较高 系的电子结构, 从理论上预测了 TiH2 中存在的另一 的单质金属功能材料, 其氢化物中氢的密度高达 种键相互作用是单位单元中两个原子 1s 轨道的反键 9.2×1022 氢原子每立方厘米, 比液氢和固态氢的密度