LaGaO_3及其掺杂材料的研究进展

掺杂LaGaO3材料在中温条件下显示出优异的氧离子导电性,在中低温燃料电池(SOFC)具有潜在的应用价值。介绍了掺杂LaGaO3材料的结构特点,综述了LaGaO3材料的晶体结构、热力学性质和相图的实验研究进展,重点介绍了关于LaGaO3晶体结构和性质的第一性原理研究进展,并对掺杂LaGaO3材料的研究进行展望。

虚拟方法在新型材料研究中的应用

该文以第一性原理方法为例,概述了虚拟方法以及相关虚拟研究平台的特点和功能。结合作者的研究工作,介绍了应用第一性原理计算方法、蒙特卡洛方法以及动态密度泛函计算方法研究新型材料取得的典型成果。总结了虚拟方法在新型材料研究所起的重要作用。

准一维纳米碳材料及其应用

准一维纳米碳材料具有不同的结构和形貌,包括碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米带、碳纳米纤维、碳纳米卷等,其具有优异的物理和化学性质,在储氢材料、场发射器件、化学传感器和水处理材料等领域显示出很好的应用前景。准一维纳米碳材料的制备和应用研究已经成为纳米碳材料领域的研究热点之一。本文对准一维纳米碳材料及其制备方法和应用领域进行概述。

4d过渡金属替位掺杂γ-TiAl基合金的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了4d过渡金属X在γ-TiAl中替位掺杂形成的Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的几何结构、总能量和弹性常数。对系统总能量、形成能的计算结果揭示Tc、Ru、Mo和Nb替代Al原子(或Ti原子),Rh和Pd替代Al原子掺杂体系比纯γ-TiAl体系更稳定,有利于制备γ-TiAl基合金。分析Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的轴比c/a发现,4d过渡金属元素Y、Zr、Tc、Ru、Rh、Mo和Nb替代Al,Y、Ag、Rh和Pd替代Ti均能明显改善γ-TiAl基合金的延性。对弹性模量比的研究表明,Y、Zr、Tc、Ag、Ru、Rh、Pd、Mo和Nb替代Al原子掺杂有利于改善γ-TiAl基合金的韧性。综合分析确认,Mo和Nb易于添加到γ-TiAl基合金中并且有利于改善材料的延性和韧性。这一结论能够与他人的实验研究结果相互佐证。

Zr替位掺杂γ-TiAl的稳定性和热学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了γ-TiAl和过渡金属Zr替位掺杂γ-TiAl形成的Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系的几何结构、总能量、结合能、声子谱和热学参量。通过对几何结构和结合能的计算分析揭示Zr替位掺杂γ-TiAl能够改善材料的稳定性和延性。能带结构和态密度表明Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系具有金属导电性。计算的声子谱显示Ti7ZrAl8体系具有很好的稳定性。计算结果显示Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系均具有较大而且稳定的高温热容量和热导率,比γ-TiAl有显著的改善。Ti8Al7Zr和Ti7ZrAl8体系的较大的热容量和热导率都有利于γ-TiAl基合金的技术应用。

Mg单原子替位掺杂β-Ga_2O_3的电子结构和光学性质计算研究

宽禁带半导体β-Ga2O3因其出色的物理化学性能而备受关注,通过掺杂改善β-Ga2O3性能一直是研究的热点。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,利用广义梯度近似加U对Mg单原子掺杂β-Ga2O3体系的晶体结构、电子结构和光学性质等进行了研究和分析。总能量和结合能的对比显示:单原子替位掺杂β-Ga2O3时,Mg优先替代八面体位的Ga原子形成Mg-GaO体系。电子结构显示,Mg-GaO体系变为间接半导体,带隙变窄为4.672eV;其自旋极化率为100%,呈现半金属特性。作为光学材料,Mg-GaO体系可在紫外、深紫外区域工作,并且折射率、反射率和吸收率有所降低,透射率明显提高。

Nb和Cr双掺杂γ-TiAl基合金的结构和延性研究

γ-TiAl基合金是一种轻质耐高温材料,具有广阔的应用前景。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了Nb或Cr单替位掺杂、Nb和Cr双替位掺杂γ-TiAl形成的合金体系的几何结构、原子平均形成能、布居数、电荷分布和弹性常数等。通过对形成能的计算分析,揭示Nb始终倾向于替代Ti原子,Cr的替代趋向则不明显。4个双掺杂体系均具有负的形成能,显示其结构的稳定性和易于实验制备的优势。通过晶胞轴比、弹性模量比和布居数计算与分析,发现Nb和Cr双掺杂对于改善合金体系的延性具有重要作用,预测Ti7NbAl7Cr和Ti7CrAl7Nb体系对于改善延性有较好的综合效果,且前者更为突出,揭示了实验探索的方向。

机器学习及其在材料研发中的作用

文献统计表明,大数据背景下机器学习方法在材料领域迅猛发展、地位凸显。本文简介了机器学习的诞生与发展,大数据背景下机器学习的作用、意义及可解释性;综述了机器学习在材料领域的应用进展。一方面,机器学习为材料结构和性能预测提供了新方法和技术;另一方面,它通过与传统方法的结合、融合,使之改进或升级。机器学习的应用能为材料研究提供重要依据,提高了材料研发的效率,节约了时间和资源,提升了成果质量,加快了发现、研制新材料的进程。人们尚需进一步开发新的机器学习方法,以进一步增强预测的可解释性和准确性,避免过拟合情况的发生。

杂质浓度对Zr替位掺杂γ-TiAl合金的结构延性和电子性质的影响

以Zr替代Ti(或Al)掺杂γ-Ti Al体系为研究对象,掺杂浓度(摩尔比)分别为1/54,1/36,1/24和1/16.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Zr掺杂γ-TiAl体系的晶体结构及其稳定性、延性和电子性质等.结果显示,Zr替位掺杂,可以改变γ-TiAl基合金的结构对称性.计算的形成能表明,Zr替代Ti原子会使体系的形成能降低,而Zr替代Al原子会使体系的形成能增加.因而,在掺入γ-TiAl时,Zr更倾向于替代Ti原子,但是Zr替代Al原子也具有一定的可能性,从而会产生多样的掺杂体系,对于改善合金的性质具有重要意义.对各个体系轴比的计算与分析表明,当掺杂浓度为1.85 at%—6.25 at%时,Zr替代Al原子会使体系的轴比减小、接近于1,从而改善合金的延性效果明显.能带结构显示各个Zr掺杂γ-TiAl体系均具有金属导电性.对电子态密度和布居数的分析表明,Zr替代Al原子后,Zr与其邻近Ti原子的共价键结合强度大为降低,导致合金体系中的Ti—Al(Zr)键的平均强度明显减弱,金属键增强,这是改善γ-TiAl合金延性的重要因素.

基于密度泛函理论的La掺杂γ-TiAl体系结构延性与电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了La替位Ti或Al且掺杂浓度分别为1.85 at.%,2.78 at.%,4.17 at.%,6.25 at.%,8.33 at.%,12.5 at.%的γ-Ti Al合金的晶体结构、稳定性和延性等性质.结果显示,杂质La浓度x 12.5 at.%,各个体系均具有较好的能量稳定性,即在一定条件下它们是可以实验制备的,且掺杂合金体系的密度<4.6 g·cm^(-3).La掺杂引起晶格参量变化进而导致合金体系的轴比发生变化.La的低浓度(x 6.25 at.%)掺杂使合金体系的轴比相较纯γ-Ti Al更接近于1,这对于改善材料的延性极为有利,其中Ti_(11)La Al_(12)体系的轴比最接近于1,预报其延性最佳.通过对比Ti_(11)LaAl_(12)和Ti_(12)Al_(12)体系的布居数、电荷密度和电子态密度,发现Ti_(11)LaAl_(12)体系延性改善的电子因素为:掺杂使体系内Al(Ti)原子轨道上的电子重新分布,Ti-d轨道和Al-p轨道的电子数均减小,可被p-d杂化轨道局域化的电子数减小,p-d轨道杂化键强度降低,从而使位错移动的阻力减少,延性得以明显改善.电子重新分布改变了部分化学键的性质,部分Al—Ti共价键转化为Al—La离子键,部分Ti—Ti共价键转化为Ti—La金属键,它们的共价性及方向性明显降低,材料金属性增强.在掺杂体系中Al—Al键的平均强度减弱,Al—Ti键和Ti—Ti键的平均强度增强,三者的强度差异明显减小,晶体结构的各向异性程度降低.

纳米金刚石的表面功能化及其应用

纳米金刚石具有优异的力学、热学、光学性质,大的比表面积和可变的表面结构等特点,有广阔的应用前景。介绍了纳米金刚石的结构及其稳定性,综述了解除纳米金刚石的团聚和对其进行表面功能化的主要方法及其意义,评述了纳米金刚石在润滑油添加剂、复合材料、生物医学影像等领域的研究进展及应用前景。

Zr和(或)Mn替位掺杂γ-TiAl基合金的延性与电子性质

采用密度泛函理论计算研究Zr和(或)Mn替位掺杂γ-TiAl形成的8个合金体系的几何结构、形成能、弹性模量、能带结构和重叠布居数等。结果表明:各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均是负值,表明它们具有较好的能量稳定性、在特定条件下是可以实验制备的。Zr或(和)Mn单(双)替位掺杂可以改善此类γ-TiAl基合金体系的轴比(R)和弹性模量比(B/G),特别是Ti_(12)Al_(11)Zr、Ti_(12)Al_(11)Mn、Ti_(11)MnAl_(11)Zr和Ti_(11)ZrAl_(11)Mn的轴比更接近于1,B/G接近1.75,预报这4个掺杂体系均具有较好的延性。这为探索改善γ-TiAl基合金的延性提供了理论依据。根据对典型掺杂体系电子性质和重叠布居数分析发现Zr和Mn掺杂使体系的共价键强度降低、金属键强度增强,从而提高了面间的可动性,有利于改善合金的延性。

钼(或铬,钒)原子替位掺杂对双相γ-TiAl/α_2-Ti_3Al界面的能量、延性和电子性质的影响

采用基于密度泛函理论计算研究了钼(或铬,钒)原子替位掺杂双相γ-TiAl/α_2-Ti_3Al界面体系的平均形成能、断裂功、电子结构等。结果显示:各个掺杂体系的总能量和平均形成能均为负值,表明它们可以由实验制备并能稳定存在。对代表性体系的断裂功和态密度分析表明,体系Mo-S_(a5) (或Cr-S_(a5))的结合强度减弱,同时体系Mo-S_(a5)的Mo-d和Ti-d电子态密度增加、相互作用增强,而Ti-d和Al-p轨道杂化键强度降低,位错运动的阻力减少,有利于改善Ti Al合金材料的延性。对杂质原子所在(001)面电荷密度和布居数的分析发现,Mo(或V)的掺入会引起电子云在杂质原子周围的聚集效应,形成结合强度稍高的区域,该区域与周围其他区域结合的各向异性程度下降。这正是此类TiAl合金延性改善的内因。

Zr和Mo双掺杂γ-TiAl基合金的稳定性与延性预测

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Zr和Mo原子双掺杂γ-TiAl合金体系的几何结构、总能量、原子平均形成能、弹性性质、电荷密度分布和布居数。通过对形成能的计算和分析,预测各双掺杂体系均具有能量稳定性,并且Zr原子始终倾向于替代Ti原子,Mo原子的替代倾向不明显。通过对轴比、弹性模量比、电荷密度分布、电荷布居数以及重叠布居数的综合分析,发现Ti_(11)ZrAl_(11)Mo和Ti_(11)MoAl_(11)Zr体系的延性相比纯γ-TiAl体系均有较大改善,并且双掺杂体系的改善效果较单掺杂更为突出。根据弹性模量比和布居数的分析结果预测,Ti_(12)Al_(10)ZrMo可能是一种延性较好的材料。

Mo掺杂对γ-TiAl基合金能量稳定性和抗氧化性的影响

γ-TiAl基合金是一类具有广阔应用前景的高温结构材料,改善其高温抗氧化性能是当前研究的热点之一。以第一性原理计算为基础,研究了Mo含量小于9.26%(原子分数)的20种γ-TiAl基合金体系的几何性质、密度、原子平均形成能、间隙O原子的形成能、Al空位和Ti空位的形成能。结果显示:各种Mo替位掺杂γ-TiAl基合金体系的密度升高,但均小于4.5 g·cm-3,仍具有替代传统镍基合金的密度优势。各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均小于零,显示它们具有良好的能量稳定性,据此预测它们可以由实验制备。随Mo含量的升高,掺杂体系的稳定性逐渐降低。通过对Mo掺杂γ-TiAl体系的O原子形成能差值ΔE f(O)、Al空位与Ti空位形成能差值ΔE V的计算和分析揭示,当Mo含量为4.0%~7.4%时,阻碍间隙O原子扩散的势垒增大,Al空位扩散的能力得以提升且Ti空位扩散的能力被抑制。这对在γ-TiAl基体表面生成α-Al 2O 3占主导地位的连续致密氧化膜有重要作用,为研发抗氧化性能优良的新材料提供了理论依据。

硅和钇双掺杂对γ-TiAl基合金稳定性和抗氧化性的影响

改善TiAl基合金的高温抗氧化性,对于拓展其应用领域具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,从原子平均形成能、弹性常数、间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位的形成能等方面研究了Si和Y替位双掺杂对γ-TiAl基合金抗氧化性的影响.结果显示,各个双掺杂γ-TiAl体系的原子平均形成能均为负值,表明体系具有能量稳定性,理论预报它们均可以由实验制备,其中大多数体系的弹性常数满足力学稳定性判据.对于满足力学稳定性条件的体系,综合间隙O原子的形成能、Ti空位和Al空位形成能的分析结果,揭示Si和Y均替位Ti生成体系Ti6SiYAl8对改善抗氧化性效果明显;Y替位Ti且Si替位Al生成体系Ti7YAl7Si,Si替位Ti且Y替位Al生成体系Ti7SiAl7Y对改善抗氧化性具有不确定性;Si和Y均替位Al生成体系Ti8Al6SiY不利于改善抗氧化性.

YFeO_3的电子结构和光学性质的第一性原理研究

稀土正铁氧体YFeO_3呈正交钙钛矿结构,其晶体和纳米晶材料在电极材料、传感器和光催化领域具有重要的应用价值.用平面波赝势方法,采用广义梯度近似、改进的Perdew-Burke-Emzerhof交换-关联势、实空间超软赝势计算方案,研究了YFeO_3晶体的几何结构、电子结构和光学性质.计算得到的晶格参量与报道的实验结果一致.通过对能带结构、态密度、介电函数、吸收系数和光电导率的计算和分析,确定YFeO_3是直接能隙半导体,能隙E_g约为2.22 eV,阐明了YFeO_3晶体和纳米晶具有较好的可见光催化性能.

La和Zr双掺杂γ-TiAl基合金延性与电子性质的第一性原理研究

以密度泛函平面波赝势方法为基础,计算研究了16个La和(或)Zr替代掺杂γ-TiAl体系(S_1,S_2,S_3,S_4,S_(51)~S_(55),S_(61)~S_(65),S_7和S_8)的结构与性质。对平均形成能的计算分析表明,它们均有较好的能量稳定性;根据弹性常量和Born-Huang判据预测,除S_(61)外,15个掺杂体系均具有力学稳定性,预报它们是可以实际制备并稳定存在的。通过对比各体系的弹性模量比,发现La和Zr双掺杂体系的延性(特别是S_(51),S_(52),S_(63)和S_(64))明显改善,且双掺杂体系的延性与杂质原子的相对位置关系不大。布居数、电荷密度分布计算和分析揭示,La和Zr双掺杂γ-TiAl体系各向同性程度提高、延性改善的原因在于体系中Ti 4s→3d,Al 3s→3p电荷转移明显减少、自由电子数量增多,导致p-d轨道杂化作用减弱,Al(La,Zr)-Ti共价键数量减少和Ti-Ti共价键结合强度显著增强,化学键Al-Al,Ti-Ti和Al-Ti的强度明显趋同、金属性增强。

Ce和V双掺杂对γ-TiAl基合金塑性和电子结构的影响

γ-TiAl基合金是具有优异综合性能和重要应用价值的高温结构材料。室温塑性不足抑制了这类合金的广泛应用。原子替位双掺杂是改善其室温塑性的有效方法之一。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Ce和V原子替位双掺杂γ-TiAl基合金的几何结构、总能量、弹性常数、电子态密度、重叠布居数、电荷密度和差分电荷密度等,并计算了原子平均形成能、弹性模量比、赝能隙。由原子平均形成能和Born-Huang判据可知,各个Ce和V替位双掺杂γ-TiAl基合金体系都具有能量稳定性和力学稳定性。由弹性模量比预测,各个Ce和V替位双掺杂γ-TiAl基合金体系的塑性均有明显改善。通过对典型合金体系Ti8Al6CeV的重叠布居数和电荷密度分析,揭示材料塑性改善的内在因素是:Ce和V替位双掺杂使Al-3p与Ti-3d轨道间的共价结合显著弱化;Ti-d与Ti-d轨道间的杂化显著增强;而Al与Al原子间的共价结合明显弱化。

影响Nb替位掺杂γ-TiAl基合金延性的电子性质因素

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算研究了影响Nb替位Ti（或Al）掺杂，且浓度为1．85％，2．78％，4．17％，6．25％（原子分数，下同）的γ-TiAl合金延性的电子性质因素。结果显示，Nb替位掺杂具有较好的能量稳定性，且不同掺杂浓度引起的晶格参量的改变不同。当Nb替代Al原子且掺杂浓度为1．85％～4．17％时，合金的轴比将会减小更接近于1，此时合金的延性改善效果明显，就所研究的晶胞模型而言，Ti12Al11Nb合金的延性最佳。故以掺杂浓度为4．17％的Ti12Al11N11和Ti11NbAl12合金为例，研究掺杂Nb改善γ-TiAl基合金延性的电子结构因素。研究结果表明：在该掺杂浓度情况下，N11替代Al原子使n4s→3d，A13s→3p的电荷转移明显减少，Alp—Tid轨道杂化作用减弱，形成金属键的自由电子数量增多，金属性增强，合金延性得到改善；Nb替代Al原子掺杂会使合金的共价性减弱，且化学键Al—Al，Ti—Ti和Al-Ti强度明显趋同，这将会显著提高γ-TiAl基合金的各向同性程度，从而使该类合金的延性得以改善。