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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
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O561.2[理学—原子与分子物理;理学—物理]
  • 作者机构:[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
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:51372203,51332004);西北工业大学基础研究基金(批准号:JCY20130114)资助的课题
中文摘要:

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Fmˉ3m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Fmˉ3m→C2/m→Pnma,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.

英文摘要:

Hafnium carbides(Hf-C system),known as ultra-high temperature ceramics,have attracted growing attention because of their unique features.In this paper,we carry out researches on the stable crystal structures in the Hf-C system at high pressures,using a variable-composition ab initio evolutionary algorithm implemented in the USPEX code.In addition to the ambient-pressure structures HfC(Fm3m),there are two new compounds Hf3C2 and Hf6C5and two high-pressure structures of HfC.When pressures are lower than 100 GPa,no new structures are found other than those at ambient pressure,and Hf3C2 and Hf6C5 become metastable at 20 GPa and 100 GPa,respectively.At 200 GPa,a new compound Hf2C is found,and the stable structure HfC has changed from Fm3 m to C2/m.At 300 GPa,another new compound HfC2 is found.At 400 GPa,the stable structure of HfC has changed again to the space group Pnma.And at 500 GPa,the stable structures are Hf2C,HfC2 and HfC(Pnma),no new structures are found except those at 400 GPa.The composition-pressure phase diagram that shows the pressure range of stable structures in Hf-C system is simulated by calculation of their enthalpies.When the pressures are lower than 15.5 GPa and 37.7 GPa,Hf3C2and Hf6C5 are stable,respectively,and their space groups are both of C2/m.And Hf2C and HfC2,with space group I4/m and Immm,respectively become stable structures when the pressure is higher than 102.5 GPa and 215.5 GPa,respectively.The phase-transition route of HfC is Fm3 m → C2/m → Pnma,and the two phase-transition pressures are 185.5 GPa and 322 GPa,respectively,which are different from the conclusion of Zhao.Then we will show and discuss the newly predicted high-pressure structures and their crystallographic data,such as volume,lattice constants and atom positions.The crystal structures of HfC are described in the literature.The structure of Hf2C contains 12 atoms in the conventional cell,and carbon atoms lie at the center of decahedron consisting of 8 hafnium atoms.In the structure of HfC2,carbon atoms form

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
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