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Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

彭军辉 曾庆丰 谢聪伟 朱开金 谭俊华

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

彭军辉, 曾庆丰, 谢聪伟, 朱开金, 谭俊华
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  • 本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf3C2, Hf6C5, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物Hf2C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物HfC2, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf3C2和Hf6C5是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf2C和HfC2变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3mC2/mPnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf2C 和HfC2 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.
      通信作者: 彭军辉, pjh1989@yeah.net
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51372203, 51332004)和西北工业大学基础研究基金(批准号: JCY20130114)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-06-02
  • 修回日期:  2015-08-25
  • 刊出日期:  2015-12-05

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

  • 1. 太原工业学院材料工程系, 太原 030008;
  • 2. 西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室, 西安 710072
  • 通信作者: 彭军辉, pjh1989@yeah.net
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 51372203, 51332004)和西北工业大学基础研究基金(批准号: JCY20130114)资助的课题.

摘要: 本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf3C2, Hf6C5, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物Hf2C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物HfC2, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf3C2和Hf6C5是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf2C和HfC2变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3mC2/mPnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf2C 和HfC2 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.

English Abstract

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