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ZrC和ZrN高压下的电子,弹性及热力学性质研究

时间:2015-03-16

郝爱民1,2,周铁军3,朱岩2,张新宇1,刘日平1

1)(燕山大学,亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,秦皇岛066004)

2)(河北科技师范学院,理学院,秦皇岛066004)

3)(河北科技师范学院,数学与信息科技学院,秦皇岛066004)

 

摘要我们通过第一性原理计算,采用CASTEP程序中的平面波基组,研究了ZrC和ZrN高压下的电子,弹性及热力学性质。我们的结果表明ZrC和ZrN的高压结构相变次序为从NaCl结构到CsCl结构。ZrC和ZrN的相变压分别为295和205GPa。同时我们还给出了弹性常数,德拜温度以及比热容随压力或温度的变化。

引言:

由于其高硬度,高熔点,抗氧化等特点,岩盐相结构的过渡金属碳化物及氮化物广泛应用于切割工具,磁存储材料,磁悬浮列车等方面。其中大量理论计算研究对比了ZrC及ZrN的电子,光学及弹性性质。但是,据我们所知,迄今为止,他们的高压相变问题还未被研究过。也只有少量的关于ZrN的热力学性质被报道。因此,很有必要研究他们在极端条件下的相变问题及热力学性质。

1、 模拟方法及参数设置

本文中基于密度泛函理论框架的计算是在CASTEP中进行的,采用了Vanderbilt超软赝势,截断能设为700eV来处理离子-电子相互作用,Zr,C和N的初始价电子组态分别为4s24p64d2,5s22s22p2及2s23p3。采用Perdew–Burke–Ernzerh形式的广义梯度近似(GGA)。布里渊区的取样采用Monkhorst–Pack 网格划分方法并且k点间距设为0.02/Å。在几何优化过程中,晶体结构的弛豫采用Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno能量最小化方法,直到作用在每个原子上的力小于0.01eV/Å,能量变化小于5.0×10−6eV/原子。通过施加两个不同的应变模式,并计算结构优化后由应变导致的应力,我们获得了材料的弹性常数。对每一种应变模式,分别采用三个不同强度的正负应变,最大应变值为0.003。原子内部自由度优化的收敛准则设为:最大离子位移在1×10-4 Å以内,离子间的Hellmann–Feynman力小于0.002eV/Å,总能的变化小于1×10-6eV/原子。

2、 模拟结果及讨论

我们的计算方法基于0K下的常压静态量子力学计算,因此不同结构的相对稳定性可以从焓值而不是吉布斯自由能随压力的变化推断出来。如图1所示,会发生一个B1到B2相的转变,此相变为二阶相变。焓值相等点对应的压力为相变压,对ZrC和ZrN分别为295和205GPa。

图1:压力下ZrC和ZrN中B2结构相对于B1结构的焓差。

图5所示为B1结构的ZrN的德拜温度随压力和温度的变化。结果表明,在温度不变时德拜温度随压力的升高而升高,在压力不变时,德拜温度随温度的升高而降低。可以看出降低温度和升高压力具有相同的效果。

(a)B1结构的ZrN中德拜温度随压力和温度的变化。

      3、 结论

我们通过第一性原理计算,采用CASTEP程序中的平面波基组,研究了ZrC和ZrN高压下的电子,弹性及热力学性质。我们的结果表明ZrC和ZrN的高压结构相变次序为从NaCl结构到CsCl结构。ZrC和ZrN的相变压分别为295和205GPa。同时我们还给出了弹性常数,德拜温度以及比热容随压力或温度的变化。

 

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文章期刊号

Materials Chemistry and Physics 129 (2011) 99–104

文章链接

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S025405841100263X

所属领域

金属材料