基于CASTEP软件的TiC_x结构构建及性能研究

Material Studio软件中的CASTEP模块在构建晶体结构过程中融入了基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法。本文利用CASTEP软件包模拟研究了不同原子比的碳化钛的结构,构建了非化学计量比的Ti C0.75的晶体结构模型。如何利用CASTEP软件构建非化学计量比的晶体结构在其他文献中是比较少见的。通过对Ti C0.75晶胞结构参数及能带-态密度图的分析,得到碳含量变化对碳化钛的物理和化学性能的影响结果规律,其结果与相关文献报道一致。

简述第一性原理计算软件CASTEP在材料物理教学中的应用

CASTEP程序是Cambridge Sequential Total Energy Package首字母的缩写,是一个基于第一性原理的量子力学程序.它是采用平面波贋势基组结合密度泛函理论,用来研究与设计材料物理性质功能强大的工具.在教学过程中引入CASTEP计算模拟软件,对材料物理教学中的知识点及基本原理进行计算及演示,可以使教学内容和过程更加生动形象.使与材料物理相关的知识点更易于被学生掌握和接受,从而提高教学效率,激发学生兴趣.本文旨在探索使用计算模拟软件在材料物理教学中应用,为材料物理的教学进行有益的探索及尝试.

基于CASTEP模拟的氟磷灰石与十二烷基磷酸酯作用机理研究

为探究十二烷基磷酸酯分子结构对氟磷灰石浮选性能的影响,采用量子化学模拟手段,研究了十二烷基磷酸酯分子结构特性及其在氟磷灰石晶体表面的作用机理。采用Materials Studio软件的CASTEP模块,首先对分子态和离子态十二烷基磷酸酯的分子结构进行了优化,得到十二烷基磷酸酯分子及其阴离子的净电荷、Mulliken电荷布居、偶极距及最高占据轨道(HOMO)组成和能量。结果表明,相对于十二烷基磷酸酯分子,十二烷基磷酸酯阴离子有更强的供电子能力、范德华作用能力和反应活性。对十二烷基磷酸酯阴离子在氟磷灰石表面的相互作用模型进行了模拟计算,得到十二烷基磷酸酯与氟磷灰石之间的作用模型和吸附能,十二烷基磷酸酯阴离子与氟磷灰石表面之间的吸附能为负值,二者之间能够自发发生吸附作用,并形成化学键。通过单矿物浮选试验验证了模拟计算结果,即十二烷基磷酸酯可以作为氟磷灰石的浮选捕收剂。

基于CASTEP模拟的重晶石(001)面基因特性研究

为了探究重晶石的可浮性规律,采用Materials Studio软件CASTEP模块对重晶石的原胞及解理面(001)面进行了表面基因特性研究。首先对重晶石原胞进行了结构优化,根据与重晶石实际晶胞参数比对的方式确定了优化参数中的密度泛函为GGA-WC,k点取样为4×3×4,截断动能为530 eV。基于优化后的重晶石原胞创建(001)面,然后计算(001)表面电子态密度、Mulliken电荷布居、键布居及表面能等表面基本化学特性。计算结果表明:重晶石原胞中Ba-O键比S-O键的键长更长,因此断定Ba-O键键能更小,断裂的概率更大;通过对(001)面上各原子的态密度与Mulliken电荷布居分析,可判定Ba2+、-O-为(001)面上主要的具有化学活性的位点。重晶石晶胞表面基因特性研究可为重晶石浮选过程中的表面活性位点的判定提供基础,进而可以对矿物可浮性与浮选药剂的作用机理研究提供借鉴与参考作用。

基于CASTEP软件的CoCrNiCuMn高熵合金结构构建及性能研究

高熵合金不同于传统合金中仅以一种或两种元素为主,通常有5种或5种以上的主元素,并且每种元素的比例在5%~35%之间。这种合金设计理念的提出,为材料的研究开辟了一个崭新的领域。其中,基于CASTEP模块的Co Cr Ni Cu Mn多主元高熵合金的结构构建及性能研究是一个方向。笔者通过构建以Cu原子为框架的Co Cr Ni Cu Mn高熵合金的晶胞结构,对实验结果中的晶格常数、能带结构、态密度图进行分析,得出在该种结构下材料具有强度硬度高、耐磨性和稳定性好等众多优异的性能。

CASTEP在电子结构教学中的应用

利用Materials studio软件中的CASTEP模块下的HSE06密度泛函,计算了Al、Cu、C、Si、SiC等一些晶体结构的能带及光学性质,使用该软件可以建立起清晰的物理图像,将一些比较抽象的概念具体化,便于分析材料的各个性质。根据所得出的物理图像,总结他们的共同点发现:对于金属元素来说导带会穿过费米面,而绝缘体的带隙较宽;分析Al、C等元素的复介电函数,可以较准确地得出其静态介电常数。通过计算机模拟计算,能够大幅度地降低材料科学的教学难度,学生也更容易掌握这些知识,教学效果会明显提高。

CASTEP软件建模与计算过程

CASTEP软件包采用基于密度泛函理论平面波赝势方法,它是当前最先进的量子力学计算程序。使用CASTEP软件建模并进行仿真计算主要包括以下几个过程:首先是材料模型的选择或建立。其次设置CASTEP计算任务。第三步是计算与材料性质相关的任务设置。最后,对计算得到的数据结果进行分析与讨论。

新型季铵盐捕收剂对锂云母与石英和钠长石分离的影响及其机理

双癸基二甲基氯化铵作为新型阳离子双链季铵盐表面活性剂,具有良好的起泡性能且对环境较为友好。为研究新型季铵盐捕收剂对锂云母的捕收作用,通过浮选试验探究了双癸基二甲基氯化铵(DDAC)体系下p H值、捕收剂用量、抑制剂用量等对锂云母浮选行为及其与脉石矿物浮选分离效果的影响,通过红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等检测手段和量子力学模拟研究了捕收剂在锂云母表面的吸附机理。浮选试验结果表明,在p H=5.0、DDAC用量75mg/L、六偏磷酸钠用量6000mg/L时,浮选精矿产率为35.79%,Li_(2)O品位为5.08%,Li_(2)O回收率为80.78%,尾矿中SiO_(2)和Al_(2)O_(3)回收率均大于98%,说明在DDAC体系下,六偏磷酸钠对钠长石和石英具有良好的选择性抑制能力;红外分析结果表明,DDAC通过静电和氢键作用吸附在锂云母表面;XPS分析结果表明,DDAC与锂云母作用时无化学键断裂,DDAC容易吸附在锂云母表面O位点;模拟分析结果表明,浮选过程中,DDAC+在氢键和静电作用下取代H2O吸附在锂云母表面,同时双链结构的非极性基使锂云母表面疏水的同时增加了锂云母矿粒黏附在气泡上的概率。因此,相比于油酸钠和椰油胺,DDAC对锂云母有更好的捕收性能。

添加稀土元素对热障涂层YSZ陶瓷层晶格畸变的影响

采用第一原理赝势平面波方法对添加稀土元素的二氧化锆晶胞进行了几何优化计算,对计算后的X-O键键长、晶格常数变化及键集居数进行了分析,并将计算结果与实验数据进行对比讨论。结果表明,添加稀土元素后,二氧化锆晶胞将发生膨胀畸变,X-O键键长变大,键集居数变小。这些变化引起晶格振动频率降低,声子散射加剧,从而使材料热扩散系数降低。此外,在一定范围内,稀土元素的共价半径越大,所引起的膨胀畸变也越大,键集居数越小,材料的热扩散系数也会更小。

磷灰石晶体及表面基因的第一性原理计算

基于第一性原理的MS软件CASTEP模块,首先对磷灰石矿物晶胞进行了几何优化,计算得到了其能带结构、态密度、Mulliken布居,然后建立并优化了3种不同(001)表面,分别计算其表面能,并计算了磷灰石(001)低能面的差分电荷密度。结果表明:磷灰石晶体的禁带宽度为5.657 eV,属于绝缘体,其能带主要分布在-38.5^-15.1 eV之间。O3-Ca1键布居值最小,是断裂概率较高的键,且O3的2p轨道在费米能级附近电子密度贡献最大,易作为活性位点参加矿浆里的物理化学反应。相对于PO4终端面和Ca1-Ca1终端面,Ca1终端面具有最低的表面能,性质最稳定,是自然界存在概率较高的表面。(001)表面的差分电荷密度分析表明,与O3-Ca1键相比,O3-Ca2键共价性更强,键较难断裂,这与Mulliken键布居分析结果相符。磷灰石晶体和表面的第一性原理计算结果可以为完善基因矿物加工数据库的建设和磷矿浮选药剂作用原理分析提供参考和指导。

位错及掺杂对球铁冲击韧性影响的电子机理

在球墨铸铁金属基体中建立α-Fe[100](010)刃型位错原子模型,利用基于密度泛函理论的CASTEP方法计算C原子在位错芯区的埋置能、亲和能、电荷布居数等电子参数.结果表明:α-Fe[100](010)刃型位错芯区局域效应集中范围较小并具有C2v点群对称性.位错芯区的能量低谷吸引轻质杂质C原子偏聚,C原子的2p轨道与刃型位错尖端Fe原子的4s价轨道之间发生电荷转移,具有较强的相互作用,使位错运动受阻.Fe-C原子间布居数较大、原子间距离较小表明,Fe-C原子间有生成渗碳体化合物的倾向.Si原子掺杂渗碳体的结合能及各原子轨道分波态密度表明,Si原子能够促使渗碳体分解,析出碳硅化合物成为石墨球化的核心,从而改善球墨铸铁的冲击韧性.

浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革

《半导体物理与器件》是半导体科学的理论基础。在教学过程中引入科研动态、CASTEP模拟计算、实验教学及微信公众号。通过CASTEP模拟计算半导体材料的能带结构、态密度和掺杂,3D结构可视直观,使学生更加深刻的理解半导体中的抽象概念。将理论付诸于实践,提高学生的动手能力,培养学生创新思维和实际解决问题的能力。

阴离子对磷灰石和白云石表面性质影响的第一性原理研究

结合密度泛函理论(DFT)计算,研究磷矿反浮选脱镁过程中,三种主要阴离子(油酸根离子、SO_(4)^(2-)-和H_(2)PO_(4)^(-)-)在氟磷灰石和白云石表面上吸附特性的差异。结果显示,油酸根离子、SO_(4)^(2-)-和H_(2)PO_(4)^(-)-均能在氟磷灰石和白云石表面发生化学吸附。氟磷灰石表面暴露的Ca原子位于磷酸根之上,表面Ca原子活性强,SO_(4)^(2-)-和H_(2)PO_(4)^(-)-在Ca位点的吸附能分别为-818.74~-1 058.30 kJ/mol和-572.78~-709.02 kJ/mol。白云石表面暴露Ca、Mg和O原子,但O原子活性较强,不利于阴离子在白云石表面的吸附,SO_(4)^(2-)-和H_(2)PO_(4)^(-)-在白云石表面Ca、Mg位点的吸附能分别为-135.92 kJ/mol、-156.30 kJ/mol和-127.03 kJ/mol、-146.95 kJ/mol。因此,SO_(4)^(2-)-和H_(2)PO_(4)^(-)-更容易吸附在氟磷灰石表面形成不溶性钙盐,屏蔽了氟磷灰石表面的活性位点,导致磷灰石被抑制;白云石表面Ca、Mg原子位点密度大于氟磷灰石,存在更多的吸附位点与捕收剂结合。

不同糖类化合物的太赫兹光谱特性

选取对人体有重要作用的三种糖类化合物,采用高分辨率太赫兹时域光谱系统与傅里叶变换红外光谱系统,在较宽的频谱范围内,对样品进行测谱分析;实验发现无水葡萄糖在1.10,1.30,1.45,1.79,1.88,1.97,2.08,2.40,2.55,2.70,2.84,2.96,3.24,3.64和4.23 THz频率处存在特征吸收,无水果糖在1.09,1.33,1.65,2.14,2.62,2.97,3.24,4.75,6.97,7.35,7.98,8.36,9.16,9.32,9.53和9.73 THz频率处存在特征吸收,无水半乳糖在2.21,2.33,2.70,2.82,3.17,3.42,3.93,4.51,5.07,5.96,6.60,6.91,8.03,8.71和9.01 THz频率处存在特征吸收。对掺杂不同比例葡萄糖、果糖、半乳糖与聚乙烯样品的实验结果做定量分析,发现在测得的上述特征吸收频率处,随化合物样品质量分数的增加,样品的吸收系数或吸光度呈线性递增。实验进一步得到无水葡萄糖与无水果糖在2.96 THz存在共同的特征吸收,无水葡萄糖与无水半乳糖在2.33,2.70和2.82 THz三处存在共同的特征吸收,无水果糖与无水半乳糖在8.00 THz处存在共同的特征吸收,而无水葡萄糖、果糖、半乳糖三者在3.20 THz处存在共同的特征吸收。三种化合物具有相同的分子式,所以三者都具有的3.20 THz特征吸收频率主要源于分子内相互作用,反应同分异构体相同的化学键或者基团。三者特征吸收频率的差异主要源于分子结构以及分子间相互作用的不同,代表同分异构体结构以及分子间振动模式的差异。通过分析三种糖类样品的实验测量结果,预测了葡萄糖在4.70,5.30,5.60,5.98,7.03,7.85,8.26,8.71和9.01 THz处存在特征吸收。基于密度泛函理论,采用CASTEP量子化学计算软件对三种化合物进行理论模拟,对样品在THz波段的特征吸收进行指认,计算得到的结果与实验结果吻合,这表明了CASTEP晶体模拟软件在化合物的THz光谱模拟方面应用的可行性。

S掺杂纤锌矿ZnO晶体结构及电子性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的CASTEP模拟软件研究了本征纤锌矿ZnO、ZnS以及S掺杂ZnO所形成的纤锌矿ZnO1-xSx化合物的晶体结构及电子性质,计算结果显示纤锌矿ZnO1-xSx化合物的晶格常数随S的掺杂量的增加呈线性增加关系;S 3p态电子决定价带顶的位置,且基本上不因S含量的改变而发生移动;Zn 4s态电子决定导带底的位置,并随S掺入量的增加先向低能端移动而后向高能端移动。研究发现在ZnO1-xSx化合物中Zn和S主要靠共价键结合,而Zn和O主要靠离子键结合,随S掺入量的增加Zn-O离子键不断减少,而Zn-S共价键不断增加是造成ZnO1-xSx化合物带隙先减小而后增加的根本原因。

基于第一性原理计算的石墨氧化机制探讨

应用第一性原理,采用Materials Studio计算软件的CASTEP模块,计算分析了石墨的氧化机制。计算结果表明:1)当层状石墨以六边形或条形方式失去C原子,产生结构缺陷时,体系的能量最低,结构最稳定。2)当石墨表面C原子与O原子结合发生氧化反应时,O原子更易与六边形或条形方向的C原子结合。3)石墨的实际氧化行为较好地验证了该计算结果。

Ca^(2+)在金红石型二氧化钛晶体(110)晶面沉积过程原理

基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,采用CASTEP程序,结合结构优化方法,研究了液中Ca2+在金红石型TiO2(110)晶面的沉积过程。结果表明,在沉积过程中,溶液中的Ca2+首先和水分子结合形成络合物[Ca(H2O)5]2+,而沉积的一个关键条件为TiO2(110)晶面的羟基化。[Ca(H2O)5]2+与羟基化的TiO2(110)晶面通过静电作用相互结合完成Ca2+的沉积。

贮氚金属薄膜源的优化与制备

为提高能量密度,以贮氚金属薄膜作为平板型β辐射伏特效应核电池的放射源。利用Materials Studio软件中的CASTEP模块计算了氚在贮存金属薄膜中的扩散速度。用MC-SET和MCNP软件模拟了氚源在钯、钪和钛三种金属薄膜中的饱和厚度,为提高放射源利用率提供参考。建立了实验室氢加载系统,可以实现在不同温度和压力下氢气向金属薄膜的扩散,制备贮氚金属薄膜。

立方氮化硼电子结构和光学性质的第一性原理计算

通过第一性原理计算可以预测材料的组分、结构与性能,设计具有特定性能的新材料,甚至可以模拟实验无法实现的工作。密度泛函理论巧妙地将电子之间的交换相关势表示为密度泛函,使得薛定谔方程在考虑了电子之间的复杂作用后,依然可以利用自洽的方法求解。利用CASTEP软件在不同机制下计算了立方氮化硼的能带结构、电荷密度分布、状态密度、折射率谱、反射率谱、吸收谱。

GaAs饱和吸收体的弹性性质的第一性原理

基于密度泛函理论的平面波赝势方法,运用Castep软件研究了带有不同本征点缺陷的GaAs饱和吸收体的晶格常数和弹性性质,得到了在不同的点缺陷影响下的GaAs晶体的弹性常数,并采用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到相应的体积弹性模量B、剪切模量G,并与理想GaAs晶体的弹性模量数值进行对比。本征点缺陷的存在破坏了GaAs晶体的对称性,使晶格发生畸变,晶格常数变小,弹性常数也不再符合立方晶系的弹性常数模式。GaAs饱和吸收体的脆性降低,延性增强,晶格更容易发生切向形变。计算得到的弹性常数将有助于进一步分析含有复杂缺陷结构的GaAs晶体的弹性性质,并对GaAs晶体作为饱和吸收体用于被动调Q激光器具有理论指导意义。