搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

张凤春 李春福 文平 罗强 冉曾令

引用本文:
Citation:

金属Fe与间隙H原子相互作用的密度泛函研究

张凤春, 李春福, 文平, 罗强, 冉曾令

First principles investigation of interaction between interstitial hydrogen atom and Fe metal

Zhang Feng-Chun, Li Chun-Fu, Wen Ping, Luo Qiang, Ran Zeng-Ling
PDF
导出引用
  • 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了不同摩尔比下H在α-Fe和γ-Fe晶格中的间隙占位情况, 计算了稳态晶体的总能量、结合能、溶解热、电子态密度、电荷差分密度和电荷布居, 分析了间隙H原子和Fe晶格之间的相互作用, 讨论了H溶解对α-Fe和γ -Fe晶体电子结构的影响. 结果表明: H溶解引起α-Fe和γ-Fe晶体点阵晶格畸变, 体积膨胀率随着溶氢量的增加而增加. 从能量角度分析发现, H优先占据α-Fe的四面体间隙位, 而在γ -Fe中优先 占据八面体间隙位. 态密度、电荷差分密度以及电荷布居分析发现, 间隙H原子与Fe晶格的相互作用仅由H的1s轨道电子和Fe的4s轨道电子所贡献, 二者作用力相对较弱, 这是造成H在Fe晶格中固溶度较低的主要原因之一.
    In this paper, the site occupations of H under different mole ratios in interstitials of α -Fe and γ -Fe are studied by the first principles method based on the density functional theory. The total energy of the steady state crystal, binding energy, solution heat, density of states, charge density difference and charge population are calculated. The interaction between interstitial H and Fe lattice is analyzed. The influences of hydrogen dissolution on electronic structure of α -Fe and γ -Fe are discussed. The results show that the dissolved hydrogen leads to the lattice distortions of α -Fe and γ -Fe, and the volume expansion ratio increases with the dissolved quantity of hydrogen increasing. The energy analysis indicates that the hydrogen preferentially occupies the tetrahedral interstitial of α -Fe, while in the γ-Fe it preferentially occupies the octahedral interstitial. The analyses of density state, charge density difference and charge population reveal that the interaction between interstitial hydrogen and Fe lattice is contributed by the H 1s orbital and Fe 4s orbital, and this interaction is relatively weak, which is one of the main reasons for lower solid solubility of hydrogen in Fe lattice.
    • 基金项目: 国家高技术研究发展计划(批准号:2006AA06A105)和西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室基金(批准号:PLN0609)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2006AA06A105) and the Fund of State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, China (Grant No. PLN0609).
    [1]

    Yang Z K 1984 Chem. Industry and Refining Mach. 13 5 (in Chinese) [杨志康 1984 化工炼油机械 13 5]

    [2]

    Wan X J 1979 J. Mater. Protect. Z1 11 (in Chinese) [万晓景 1979 材料保护 Z1 11]

    [3]

    Chu W Y 1988 Hydrogen Damage and Delayed Fracture (Beijing: Metallurgical Industry Press) (in Chinese) [褚武扬 1988 氢损伤与滞后断裂 (北京: 冶金工业出版社)]

    [4]

    Martin A S Manchester F D 1990 Bull. Alloy Phase Diagrams 11 173

    [5]

    Lee B J, Jang J W 2007 Acta Mater. 55 6779

    [6]

    Fukai Y 1983 Jpn. J. Appl. Phys. 22 207

    [7]

    Yang Z J 1966 Acta Phys. Sin. 22 294 (in Chinese) [杨正举 1966 物理学报 22 294]

    [8]

    Paxton A T, Elsässer C 2010 Phys. Rev. B 82 1

    [9]

    Jiang D E, Carter E A 2004 Phys. Rev. B 70 064102

    [10]

    Hayward E, Deo C 2011 J. Phys.: Condens. Matter 23 425402

    [11]

    Simonetti S, Saravia D R, Brizuela G, Juan A 2010 Int. J. Hydrogen Energy 35 5957

    [12]

    Payne M C, Allan D C, Arias T A, Joannopoulos J D 1992 Rev. Mod. Phys. 64 1045

    [13]

    Milman V, Winkler B, White J A, Pickard C J, Payne M C, Akhmataskaya E V, Nobes R H 2000 Int. J. Quantum Chem. 77 895

    [14]

    White J A, Bird D M 1994 Phys. Rev. B 50 4954

    [15]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [16]

    Zhang Y, Yang W 1998 Phys Rev. Lett. 80 890

    [17]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [18]

    Jiang D E, Carter E A 2005 Surf. Sci. 583 60

    [19]

    Seki I, Nagata K 2005 ISIJ Int. 45 1789

    [20]

    Zhang J J, Zhang H 2010 Acta Phys. Sin. 59 4143 (in Chinese) [张建军, 张红 2010 物理学报 59 4143]

    [21]

    Zhang S, Qin Y, Ma M F, Lu C, Li G Q 2014 Chin. Phys. B 23 013601

    [22]

    Cheng D D, Kuang X Y, Zhao Y R, Shao P, Li Y F 2011 Chin. Phys. B 20 063601

    [23]

    Bozzolo G, Ferrante J 1992 Phys. Rev. B: Condens. Matter 46 8600

    [24]

    Troiano A R 1960 Trans. ASM 52 54

  • [1]

    Yang Z K 1984 Chem. Industry and Refining Mach. 13 5 (in Chinese) [杨志康 1984 化工炼油机械 13 5]

    [2]

    Wan X J 1979 J. Mater. Protect. Z1 11 (in Chinese) [万晓景 1979 材料保护 Z1 11]

    [3]

    Chu W Y 1988 Hydrogen Damage and Delayed Fracture (Beijing: Metallurgical Industry Press) (in Chinese) [褚武扬 1988 氢损伤与滞后断裂 (北京: 冶金工业出版社)]

    [4]

    Martin A S Manchester F D 1990 Bull. Alloy Phase Diagrams 11 173

    [5]

    Lee B J, Jang J W 2007 Acta Mater. 55 6779

    [6]

    Fukai Y 1983 Jpn. J. Appl. Phys. 22 207

    [7]

    Yang Z J 1966 Acta Phys. Sin. 22 294 (in Chinese) [杨正举 1966 物理学报 22 294]

    [8]

    Paxton A T, Elsässer C 2010 Phys. Rev. B 82 1

    [9]

    Jiang D E, Carter E A 2004 Phys. Rev. B 70 064102

    [10]

    Hayward E, Deo C 2011 J. Phys.: Condens. Matter 23 425402

    [11]

    Simonetti S, Saravia D R, Brizuela G, Juan A 2010 Int. J. Hydrogen Energy 35 5957

    [12]

    Payne M C, Allan D C, Arias T A, Joannopoulos J D 1992 Rev. Mod. Phys. 64 1045

    [13]

    Milman V, Winkler B, White J A, Pickard C J, Payne M C, Akhmataskaya E V, Nobes R H 2000 Int. J. Quantum Chem. 77 895

    [14]

    White J A, Bird D M 1994 Phys. Rev. B 50 4954

    [15]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [16]

    Zhang Y, Yang W 1998 Phys Rev. Lett. 80 890

    [17]

    Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188

    [18]

    Jiang D E, Carter E A 2005 Surf. Sci. 583 60

    [19]

    Seki I, Nagata K 2005 ISIJ Int. 45 1789

    [20]

    Zhang J J, Zhang H 2010 Acta Phys. Sin. 59 4143 (in Chinese) [张建军, 张红 2010 物理学报 59 4143]

    [21]

    Zhang S, Qin Y, Ma M F, Lu C, Li G Q 2014 Chin. Phys. B 23 013601

    [22]

    Cheng D D, Kuang X Y, Zhao Y R, Shao P, Li Y F 2011 Chin. Phys. B 20 063601

    [23]

    Bozzolo G, Ferrante J 1992 Phys. Rev. B: Condens. Matter 46 8600

    [24]

    Troiano A R 1960 Trans. ASM 52 54

  • [1] 黄盛星, 陈健, 王文菲, 王旭东, 姚曼. 新型双过渡金属MXene热电输运性能第一性原理计算. 物理学报, 2024, 73(14): 146301. doi: 10.7498/aps.73.20240432
    [2] 侯璐, 童鑫, 欧阳钢. 一维carbyne链原子键性质应变调控的第一性原理研究. 物理学报, 2020, 69(24): 246802. doi: 10.7498/aps.69.20201231
    [3] 付正鸿, 李婷, 单美乐, 郭糠, 苟国庆. H对Mg2Si力学性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(17): 177102. doi: 10.7498/aps.68.20190368
    [4] 贾婉丽, 周淼, 王馨梅, 纪卫莉. Fe掺杂GaN光电特性的第一性原理研究. 物理学报, 2018, 67(10): 107102. doi: 10.7498/aps.67.20172290
    [5] 李守英, 王勇, 赵卫民. 单轴应变对H在α-Fe中占位及扩散的影响. 物理学报, 2017, 66(18): 187101. doi: 10.7498/aps.66.187101
    [6] 杨彪, 王丽阁, 易勇, 王恩泽, 彭丽霞. C, N, O原子在金属V中扩散行为的第一性原理计算. 物理学报, 2015, 64(2): 026602. doi: 10.7498/aps.64.026602
    [7] 黄艳平, 袁健美, 郭刚, 毛宇亮. 硅烯饱和吸附碱金属原子的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(1): 013101. doi: 10.7498/aps.64.013101
    [8] 石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利. H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(11): 116301. doi: 10.7498/aps.64.116301
    [9] 范开敏, 杨莉, 孙庆强, 代云雅, 彭述明, 龙兴贵, 周晓松, 祖小涛. 六角相ErAx (A=H, He)体系弹性性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(11): 116201. doi: 10.7498/aps.62.116201
    [10] 胡洁琼, 谢明, 张吉明, 刘满门, 杨有才, 陈永泰. Au-Sn金属间化合物的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(24): 247102. doi: 10.7498/aps.62.247102
    [11] 卢志鹏, 祝文军, 卢铁城. 高压下Fe从bcc到hcp结构相变机理的第一性原理计算. 物理学报, 2013, 62(5): 056401. doi: 10.7498/aps.62.056401
    [12] 孟凡顺, 赵星, 李久会. B掺入Cu∑5晶界间隙位性质的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(11): 117102. doi: 10.7498/aps.62.117102
    [13] 罗强, 唐斌, 张智, 冉曾令. H2S在Fe(100)面吸附的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(7): 077101. doi: 10.7498/aps.62.077101
    [14] 范开敏, 杨莉, 彭述明, 龙兴贵, 吴仲成, 祖小涛. 第一性原理计算α-ScDx(D=H,He)的弹性常数. 物理学报, 2011, 60(7): 076201. doi: 10.7498/aps.60.076201
    [15] 胡玉平, 平凯斌, 闫志杰, 杨雯, 宫长伟. Finemet合金析出相-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(10): 107504. doi: 10.7498/aps.60.107504
    [16] 张辉, 张国英, 肖明珠, 路广霞, 朱圣龙, 张轲. 金属元素替代对Li4BN3H10储氢材料释氢影响机理的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047109. doi: 10.7498/aps.60.047109
    [17] 周晶晶, 陈云贵, 吴朝玲, 郑欣, 房玉超, 高涛. 新型轻质储氢材料的第一性原理原子尺度设计. 物理学报, 2009, 58(7): 4853-4861. doi: 10.7498/aps.58.4853
    [18] 尚家香, 于潭波. NiAl和Cr材料中H原子间隙的第一性原理计算. 物理学报, 2009, 58(2): 1179-1184. doi: 10.7498/aps.58.1179
    [19] 赵巍, 汪家道, 刘峰斌, 陈大融. H2O分子在Fe(100), Fe(110), Fe(111)表面吸附的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(5): 3352-3358. doi: 10.7498/aps.58.3352
    [20] 姚红英, 顾 晓, 季 敏, 张笛儿, 龚新高. SiO2-羟基表面上金属原子的第一性原理研究. 物理学报, 2006, 55(11): 6042-6046. doi: 10.7498/aps.55.6042
计量
  • 文章访问数:  6613
  • PDF下载量:  629
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-06-09
  • 修回日期:  2014-07-10
  • 刊出日期:  2014-11-05

/

返回文章
返回