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二氧化铀电子结构和弹性性质的第一性原理研究

范航 王珊珊 李玉红

二氧化铀电子结构和弹性性质的第一性原理研究

范航, 王珊珊, 李玉红
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  • 本文采用第一性原理的方法系统研究了UO2的晶体结构、电子结构和弹性性质. 在计算中采用广义梯度近似结合Hubbard U项描述电子的局域强关联效应. 首先通过计算能带带隙大小并与理论值比较的方法, 得到了合理的有效库仑相关作用能(Ueff)的取值, 同时通过态密度的计算, 进一步验证了Ueff取值的合理性. 计算得到UO2中U原子的Ueff值为3.30 eV (Ueff=U-J, U=3.70 eV, J=0.40 eV). 应用此参数计算得到的UO2晶格常数为5.54 Å, 带隙宽度为2.17 eV. 该结果优于目前现有的研究结果, 同时在同样的Ueff值条件下计算所得到的弹性常数与实验值也符合得较好. 相较于之前的基于实验测量并分析得到的Ueff值, 我们所采用的方法在对UO2性质描述上更为准确. 不同的有效库仑相关作用能取值下的态密度结果表明, 有效库仑相关作用能的大小可以影响铀原子5f电子轨道的分布.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11175076, 11475076)资助的课题.
    [1]

    Burns P C, Ewing R C, Navrotsky A 2012 Science 335 1184

    [2]

    Nerikar P, Watanabe T, Tulenko J S, Phillpot S R, Sinnott S B 2009 J. Nucl. Mater 384 61

    [3]

    Wang J W, Ewing R C, Becker U 2013 Phys. Rev. B 88 024109

    [4]

    Dorado B, Garcia P 2013 Phys. Rev. B 87 195139

    [5]

    Kaur G, Panigrahi P, Valsakumar M C 2013 Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 21 065014

    [6]

    Chen Q Y, Lai X C, Wang X Y, Zhang Y B, Tan S Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 4945 (in Chinese) [陈秋云, 赖新春, 王小英, 张永彬, 谭世勇 2010 物理学报 59 4945]

    [7]

    Pang J W L, Buyers W J L, Chernatynskiy A, Lumsden M D, Larson B C, Phillpot S R 2013 Phys. Rev. Lett. 110 157401

    [8]

    Kotani A, Yamazaki T 1992 Prog. Theor. Phys. Supp. 108 117

    [9]

    Xu C J 2012 M. D. Dissertation (Yantai: Yantai University) (in Chinese) [徐翠娟 2012 硕士学位论文(烟台: 烟台大学)]

    [10]

    Lan J H, Wang L, Li S, Yuan L Y, Feng Y X, Sun W, Zhao Y L, Chai Z F, Shi W Q 2013 J. Appl. Phys. 113 183514

    [11]

    Song C L, Yang Z H, Su T, Wang K K, Wang J, Liu Y, Han G R 2014 Chin. Phys. B 23 057101

    [12]

    Blächl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [13]

    Kresse G, Joubert J 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [14]

    Cococcioni M, Gironcoli S 2005 Phys. Rev. B 71 035105

    [15]

    Dudarev S L, Botton G A, Savrasov S Y, Szotek Z, Temmerman W M, Sutton A P 1998 Phys. Stat. Sol. 166 429

    [16]

    Tan S H 2009 M. D. Dissertation (Mianyang: China Academy of Engineering Physics) (in Chinese) [谭世勇 2009 硕士学位论文(绵阳: 中国工程物理研究院)]

    [17]

    Schoenes J 1978 J. Appl. Phys. 49 1463

    [18]

    Sanati M, Albers R C, Lookman T, Saxena A 2011 Phys. Rev. B 84 014116

    [19]

    Fritz I J 1976 J. Appl. Phys. 47 4353

  • [1]

    Burns P C, Ewing R C, Navrotsky A 2012 Science 335 1184

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    Wang J W, Ewing R C, Becker U 2013 Phys. Rev. B 88 024109

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  • [1] 陈秋云, 赖新春, 王小英, 张永彬, 谭世勇. UO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(7): 4945-4949. doi: 10.7498/aps.59.4945
    [2] 路战胜, 李沙沙, 陈晨, 杨宗献. Cu/CeO2(110)界面特性的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(11): 117301. doi: 10.7498/aps.62.117301
    [3] 肖红星, 龙冲生. UO2 晶体中低密勒指数晶面表面能的分子动力学模拟. 物理学报, 2013, 62(10): 103104. doi: 10.7498/aps.62.103104
    [4] 张仲, 王欢, 王开元, 安欢, 刘彪, 伍建春, 邹宇. 第一性原理研究Zr的掺杂对Xe在UO2中溶解能力的影响. 物理学报, 2018, 67(4): 046101. doi: 10.7498/aps.67.20171863
    [5] 张旭, 周玉泽, 闭强, 杨兴华, 俎云霄. 有边界条件的忆阻元件模型及其性质. 物理学报, 2010, 59(9): 6673-6680. doi: 10.7498/aps.59.6673
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    [7] 王丽莉, 万明杰, 马江将, 蒋刚. U1-xPuxO2热膨胀性质分子动力学模拟研究. 物理学报, 2014, 63(8): 083103. doi: 10.7498/aps.63.083103
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    [10] 杨振辉, 王菊, 刘涌, 王慷慨, 苏婷, 郭春林, 宋晨路, 韩高荣. 锐钛矿相和金红石相Nb:TiO2电学性质的GGA(+U)法研究. 物理学报, 2014, 63(15): 157101. doi: 10.7498/aps.63.157101
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    [13] 张开义, 徐慧. 一维扩展Hubbard模型热力学性质(Ⅱ)——U<0. 物理学报, 1985, 34(11): 1433-1441. doi: 10.7498/aps.34.1433
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    [17] 韩敏, 林涛, 万能, 陈坤基, 徐骏. SnO2纳米晶体的制备、结构与发光性质. 物理学报, 2009, 58(8): 5821-5825. doi: 10.7498/aps.58.5821
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    [19] 孙玄, 黄煦, 王亚洲, 冯庆荣. MgB2 超薄膜的制备和性质研究. 物理学报, 2011, 60(8): 087401. doi: 10.7498/aps.60.087401
    [20] 唐成春, 吴光恒, 李养贤, 詹文山. Ce1-xYxFe2的电子结构和磁性质. 物理学报, 2001, 50(1): 132-138. doi: 10.7498/aps.50.132
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-10-06
  • 修回日期:  2014-12-09
  • 刊出日期:  2015-05-05

二氧化铀电子结构和弹性性质的第一性原理研究

  • 1. 兰州大学, 核科学与技术学院, 兰州 730000;
  • 2. 中国工程物理研究院, 化工材料研究所, 绵阳 621900
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11175076, 11475076)资助的课题.

摘要: 本文采用第一性原理的方法系统研究了UO2的晶体结构、电子结构和弹性性质. 在计算中采用广义梯度近似结合Hubbard U项描述电子的局域强关联效应. 首先通过计算能带带隙大小并与理论值比较的方法, 得到了合理的有效库仑相关作用能(Ueff)的取值, 同时通过态密度的计算, 进一步验证了Ueff取值的合理性. 计算得到UO2中U原子的Ueff值为3.30 eV (Ueff=U-J, U=3.70 eV, J=0.40 eV). 应用此参数计算得到的UO2晶格常数为5.54 Å, 带隙宽度为2.17 eV. 该结果优于目前现有的研究结果, 同时在同样的Ueff值条件下计算所得到的弹性常数与实验值也符合得较好. 相较于之前的基于实验测量并分析得到的Ueff值, 我们所采用的方法在对UO2性质描述上更为准确. 不同的有效库仑相关作用能取值下的态密度结果表明, 有效库仑相关作用能的大小可以影响铀原子5f电子轨道的分布.

English Abstract

参考文献 (19)

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