高压下钛氢化物的结构稳定性、力学性质和电子结构的第一性原理研究

论文摘要

近几十年来,钛及其合金由于具有耐高温、耐腐蚀、比强度高等优良性质而被广泛应运于航空航天、深海潜水以及医药等领域。在高温高压极端物理环境中,钛会与周围的氢发生反应,形成钛氢化合物。此外,已有研究表明,高压富氢金属可能是潜在的室温半导体材料。因此,高压下的钛氢化合物的物理性质研究,成为人们关注的热点。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了零温零压下,随着H元素增多TiHx（x=1,1.5,2）材料的结构稳定性,力学性质和电学性质。结果表明,空间群分别为P42/mmc、P42/mcm、I4/mmm的γ-TiH、δ-TiH1.5、ε-TiH2在零温零压下具有较好的力学和动力学稳定性。它们的体弹性模量随H元素的增加而逐渐增大,即抗压能力越来越强。其中,δ-TiH1.5拥有最大的剪切模量和杨氏模量。由态密度和分波态密度可知,这三种晶体在零压下都呈现金属特性,总态密度主要源自Ti的3d轨道电子贡献。在费米能级以下的深能级区域,Ti的s、p、d轨道与H的s轨道存在较强的杂化特征。此外,本文还系统研究了同一种组分下,加压对材料结构稳定性、力学性质以及电学性质的影响。计算结果表明,压力作用下,γ-TiH和ε-TiH2发生了结构相变,相应的相变压强分别为7.5 GPa和67 GPa。在加压过程中,它们的力学弹性常数也均随着压强的增大而增大。另外,TiH和TiH2的各向异性均在压力作用下表现出不同幅度的变化,逐渐趋于各向同性。态密度计算结果表明,随着压强的增大,TiH2的低能级区域出现能隙。当压强增加到60 GPa时,δ-TiH1.5不再满足力学稳定性,其体弹性模量和韧性随压强的增大而增强,各向异性也随着压强的增大而更加显著,但剪切模量和杨氏模量则随压强的增大而减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 钛氢化合物的研究进展
•     1.1.1 常压下钛氢化合物的研究进展
•     1.1.2 高压下钛氢化合物的研究进展
•   1.2 本论文的内容安排
• 第二章 计算方法
•   2.1 第一性原理简介
•   2.2 密度泛函理论
•     2.2.1 绝热近似
•     2.2.2 Hartree-Fock近似
•     2.2.3 Hohenberg-Kohn定理
•     2.2.4 Kohn-Sham方程
•     2.2.5 交换关联能
•   2.3 力学性质计算方法
•   2.4 声子谱计算方法
•   2.5 VASP、Phonopy软件简介
•     2.5.1 VASP软件简介
•     2.5.2 Phonopy软件简介
• x（x=1,1.5,2）结构稳定性、力学性质和电学性质的研究'>第三章 TiH_x（x=1,1.5,2）结构稳定性、力学性质和电学性质的研究
•   3.1 计算参数设置
• x（x=1,1.5,2）的结构稳定性'>  3.2 TiH_x（x=1,1.5,2）的结构稳定性
•     3.2.1 结构优化
• x（x=1,1.5,2）的声子谱'>    3.2.2 TiH_x（x=1,1.5,2）的声子谱
• x（x=1,1.5,2）的力学性质'>  3.3 TiH_x（x=1,1.5,2）的力学性质
• x（x=1,1.5,2）的电学性质'>  3.4 TiH_x（x=1,1.5,2）的电学性质
•   3.5 本章小结
• x（x=1,1.5,2）高压下的结构稳定性、力学性质和电学性质的研究'>第四章 TiH_x（x=1,1.5,2）高压下的结构稳定性、力学性质和电学性质的研究
•   4.1 计算参数设置
•   4.2 Ti H高压下的稳定结构、相变压强、力学性质和电学性质
•     4.2.1 高压下Ti H的稳定结构
•     4.2.2 Ti H的相变压强
•     4.2.3 高压下Ti H的力学性质
•     4.2.4 高压下Ti H的电学性质
• 1.5 高压下的稳定结构、力学性质和电学性质'>  4.3 TiH_1.5高压下的稳定结构、力学性质和电学性质
• 1.5 的稳定结构'>    4.3.1 高压下TiH_1.5的稳定结构
• 1.5 的力学性质'>    4.3.2 高压下TiH_1.5的力学性质
• 1.5 的电学性质'>    4.3.3 高压下TiH_1.5的电学性质
• 2 高压下的稳定结构、相变压强、力学性质和电学性质'>  4.4 TiH₂高压下的稳定结构、相变压强、力学性质和电学性质
• 2 的稳定结构'>    4.4.1 高压下TiH₂的稳定结构
• 2 的相变压强'>    4.4.2 TiH₂的相变压强
• 2 的力学性质'>    4.4.3 高压下TiH₂的力学性质
• 2 的电学性质'>    4.4.4 高压下TiH₂的电学性质
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘琪

导师: 崔鑫

关键词: 第一性原理,力学性质,电学性质,钛氢化合物

来源: 内蒙古大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 内蒙古大学

分类号: O469

总页数: 55

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