高壓下鈣硅碳三元化合物的第一性原理計算
發(fā)布時間：2022-01-17 18:54
物質在高壓的作用下,會發(fā)生結構、力學性質、光學性質、電學性質的改變。但實驗周期長、表征要求高等缺點,使得高壓實驗的弊端顯現(xiàn)出來。這時,為了更好的探索高壓下物質的物理化學性質,材料計算模擬方法被廣泛應用到高壓科學中來�；谥暗难芯繄蟮�,我們可知Ca-Si二元體系中的CaSi2在15 GPa下會呈現(xiàn)超導現(xiàn)象,Tc=14 K;而β-SiC具有較高的硬度,并且其也成為第三代半導體的候選材料;對于二元化合物Ca-C具有優(yōu)異的機械性能,并廣泛應用于工業(yè)生產中。由此,激起我們探索三元Ca-Si-C體系的高壓相圖。從之前Ca-Si-C體系的實驗和理論工作發(fā)現(xiàn),Ca元素主要通過吸附和摻雜的方式進入SiC中,并且Ca元素的加入對其體系的電子性質、磁性等方面有很大影響。本文中我們預探索三元Ca-Si-C體系及其性質,通過基于粒子群優(yōu)化算法的CALYPSO并結合第一性原理計算軟件包對鈣硅碳三元化合物的高壓相進行晶體結構預測,主要工作如下:（1）利用CALYPSO結構預測軟件探索在0～400 GPa壓力范圍內,Ca-Si-C體系的結構相變。通過計算可得,CaSiC的...
【文章來源】：燕山大學河北省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
實驗、計算模擬和理論關系圖
第1章緒論-3-計算材料科學讓我們對于材料的研究不僅僅停留在實驗結果，而是提出一些深入的理論，為更好的設計材料提供新方向，具有前瞻性、方向性、創(chuàng)新性。實驗-計算模擬-理論三者之間的關系可以用圖1-1來表示，三者相互結合是未來材料科學發(fā)展的重要基矗計算材料學與實驗都是研究材料的重要手段，隨著計算機的快速發(fā)展，計算材料科學也迎來了更光明的前景和應用。圖1-1實驗、計算模擬和理論關系圖計算材料科學的分類根據(jù)所計算的對象、條件、要求等因素，一般來說分為兩種，一是按理論模型和方法分類，二是按照材料計算的特征空間尺寸分類。本文按照計算材料科學的不同理論模型方法對第一性原理方法、分子動力學方法和蒙特卡洛方法這三種方法進行闡述，選取的原則和條件如下圖所示。圖1-2計算材料學方法與空間、時間尺寸對應關系第一性原理（FristPrinciple）是從量子力學理論出發(fā)的方法，是一種“自下而上”的方法，它有狹義和廣義兩種定義，狹義指基于Hatree-Fock自洽場計算方法的“從
燕山大學工程碩士學位論文-4-頭算”（abinitio），廣義的第一性原理在此基礎上還包含密度泛函理論（DFT）計算。如圖1-3所示，從理論的角度來說，第一性原理僅需要原子精細的結構參數(shù)、電子質量及帶電量、原子核質量及電量、普朗克常量和光速這幾個已知的參數(shù)，得到材料所有的基態(tài)性質，中間的過程可以理解成是求解薛定諤方程。求解薛定諤方程的過程遵循原子核和電子作用的原理及其基本運動規(guī)律，過程運用幾個近似處理，此過程也就是所謂的“從頭到尾”。但在實際操作中，除了第一性原理要求的已知參數(shù)外，我們還常加入一些“經驗參數(shù)”，這些參數(shù)通常來源于前人已知的、通過大量實例驗證的規(guī)律，或者來自于實驗領域最直接的結果，這樣的方法通常稱之為“半經驗的”，它能有效地減少計算資源的損耗，進而保證計算工作在最優(yōu)化的條件下進行。圖1-3第一性原理流程圖分子動力學（MolecularDynamics，簡稱MD），是從經典物理的統(tǒng)計力學出發(fā)，它通過對分子間相互作用勢函數(shù)及運動方程的求解，分析其分子運動的行為規(guī)律，模擬體系的動力學演化過程，然后給出微觀量（如：分子的坐標與速度等）與宏觀可觀測量（如：體系的溫度、壓強、熱容等物理量）之間的關系，從而研究復雜體系的平衡態(tài)性質和力學性質，是研究材料內部流體行為、通道運輸?shù)痊F(xiàn)象有效的研究手段。分子動力學的基本思想是：根據(jù)玻恩-奧本海默近似，可以將原子核與電子分離開，再將原子核假設為組成體系的經典粒子進行研究。分子動力學的流程草圖如圖1-4，勢函數(shù)（也稱之為“力潮）的選取對分子動力學的結果非常重要，加之分子動力學對計算資源的消耗非常大，一個常見的分子動力學程序往往要跑一周以上，因此合理選取勢函數(shù)、正確使用算法也成了分子動力學實際操作中的重點。對于勢函數(shù)的?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Magnetism induced by nonmagnetic dopants in zinc-blende SiC: First-principle calculations[J]. LIU ZhaoQing & NI Jun Department of Physics and Key Laboratory of Atomic and Molecular Nanoscience (Ministry of Education), Tsinghua University, Beijing 100084, China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2010(01)
[2]高壓物理學及其應用[J]. 趙明旭. 現(xiàn)代物理知識. 2000(S1)
[3]一個等溫狀態(tài)方程（Ⅲ）——高壓下材料的穩(wěn)定性[J]. 何壽安,徐濟安. 物理學報. 1979(04)
本文編號：3595258
【文章來源】：燕山大學河北省
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
實驗、計算模擬和理論關系圖
第1章緒論-3-計算材料科學讓我們對于材料的研究不僅僅停留在實驗結果，而是提出一些深入的理論，為更好的設計材料提供新方向，具有前瞻性、方向性、創(chuàng)新性。實驗-計算模擬-理論三者之間的關系可以用圖1-1來表示，三者相互結合是未來材料科學發(fā)展的重要基矗計算材料學與實驗都是研究材料的重要手段，隨著計算機的快速發(fā)展，計算材料科學也迎來了更光明的前景和應用。圖1-1實驗、計算模擬和理論關系圖計算材料科學的分類根據(jù)所計算的對象、條件、要求等因素，一般來說分為兩種，一是按理論模型和方法分類，二是按照材料計算的特征空間尺寸分類。本文按照計算材料科學的不同理論模型方法對第一性原理方法、分子動力學方法和蒙特卡洛方法這三種方法進行闡述，選取的原則和條件如下圖所示。圖1-2計算材料學方法與空間、時間尺寸對應關系第一性原理（FristPrinciple）是從量子力學理論出發(fā)的方法，是一種“自下而上”的方法，它有狹義和廣義兩種定義，狹義指基于Hatree-Fock自洽場計算方法的“從
燕山大學工程碩士學位論文-4-頭算”（abinitio），廣義的第一性原理在此基礎上還包含密度泛函理論（DFT）計算。如圖1-3所示，從理論的角度來說，第一性原理僅需要原子精細的結構參數(shù)、電子質量及帶電量、原子核質量及電量、普朗克常量和光速這幾個已知的參數(shù)，得到材料所有的基態(tài)性質，中間的過程可以理解成是求解薛定諤方程。求解薛定諤方程的過程遵循原子核和電子作用的原理及其基本運動規(guī)律，過程運用幾個近似處理，此過程也就是所謂的“從頭到尾”。但在實際操作中，除了第一性原理要求的已知參數(shù)外，我們還常加入一些“經驗參數(shù)”，這些參數(shù)通常來源于前人已知的、通過大量實例驗證的規(guī)律，或者來自于實驗領域最直接的結果，這樣的方法通常稱之為“半經驗的”，它能有效地減少計算資源的損耗，進而保證計算工作在最優(yōu)化的條件下進行。圖1-3第一性原理流程圖分子動力學（MolecularDynamics，簡稱MD），是從經典物理的統(tǒng)計力學出發(fā)，它通過對分子間相互作用勢函數(shù)及運動方程的求解，分析其分子運動的行為規(guī)律，模擬體系的動力學演化過程，然后給出微觀量（如：分子的坐標與速度等）與宏觀可觀測量（如：體系的溫度、壓強、熱容等物理量）之間的關系，從而研究復雜體系的平衡態(tài)性質和力學性質，是研究材料內部流體行為、通道運輸?shù)痊F(xiàn)象有效的研究手段。分子動力學的基本思想是：根據(jù)玻恩-奧本海默近似，可以將原子核與電子分離開，再將原子核假設為組成體系的經典粒子進行研究。分子動力學的流程草圖如圖1-4，勢函數(shù)（也稱之為“力潮）的選取對分子動力學的結果非常重要，加之分子動力學對計算資源的消耗非常大，一個常見的分子動力學程序往往要跑一周以上，因此合理選取勢函數(shù)、正確使用算法也成了分子動力學實際操作中的重點。對于勢函數(shù)的?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Magnetism induced by nonmagnetic dopants in zinc-blende SiC: First-principle calculations[J]. LIU ZhaoQing & NI Jun Department of Physics and Key Laboratory of Atomic and Molecular Nanoscience (Ministry of Education), Tsinghua University, Beijing 100084, China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2010(01)
[2]高壓物理學及其應用[J]. 趙明旭. 現(xiàn)代物理知識. 2000(S1)
[3]一個等溫狀態(tài)方程（Ⅲ）——高壓下材料的穩(wěn)定性[J]. 何壽安,徐濟安. 物理學報. 1979(04)
本文編號：3595258
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