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在过去几十年里,无论是在实验还是理论方面,对金属-氢体系的研究都引起了人们的极大兴趣.其中最主要的原因是许多的金属-氢体系都具有非常重要的应用价值,例如,可以用于能量储存材料.并且,当氢加入金属后,很多有趣的金属特性都将被修整,包括金属磁性的转变,超导性的改变以及力学性能的降低等显著的变化.
近几十年来,由于计算水平和计算方法的不断提高,密度泛函理论发展迅猛,对凝聚态体系研究取得了长足的进展,目前已广泛应用于过渡金属体系的理论研究.在本论文中,我们采用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了金属氢化物RhH和PdHx(x=0,0.25,0.5,0.75,1.0)在应力作用下的结构、力学、磁学性质和电子结构.获得的结果主要有:
一、首先,得到了bcc结构,fcc结构金属Rh及NaCl型RhH的结构形貌和体弹性模量、理论强度等力学性质,Rh的体弹性模量与实验及其他理论方法得到的结果吻合的很好,NaCl型RhH的体弹性模量要小于Rh的.第一次给出了Rh及RhH的理论强度,并且探讨了原胞体积变化时以上几种结构应力的变化情况,发现不同的原胞体积对应不同的受力和形变过程.在应变很小的时候,应力随体积的变化较大;当原胞体积进一步增大时,应力-体积曲线的斜率逐渐减小,最后达到极限应力.
二、研究了bcc结构和fcc结构金属Rh及具有NaCl立方结构和ZrH四面体结构氢化物RhH的电子结构和磁学性质.NaCl型立方RhH结构比ZrH型四面体RhH结构的总能小,因此更加稳定.这几种结构都具有较强的“磁致伸缩”效应,即随着原胞体积的变化,磁距有“低磁距-小体积”到“高磁距-大体积”变化的规律.Fcc结构Rh在平衡晶格常数时的磁距为零,bcc结构Rh在平衡晶格常数时具有非零磁距.两种结构的RhH体系在平衡晶格常数时都有磁性,即具有非零磁距.以上几种结构费米能级附近的态密度主要源于Rh原子4d电子的贡献.NaCl立方结构和ZrH四面体结构RhH中H原子的1s电子主要集中在-9.0到-7.0eV的能量范围内.
三、应用同样的方法研究了PdHx(x=0,0.25,0.5,0.75,1.0)的结构形貌和力学性质.在fcc结构金属Pd的八面体位置上从1到4依次填加H原子,相继形成Pd4H1,Pd4H2,Pd4H3,PdH的氢化物结构.Pd的体弹性模量与实验及其他理论方法得到的结果吻合的很好,PdHx(x=0.25,0.5,0.75,1.0)的体弹性模量要小于金属Pd的.我们也给出了Pd及PdHx的理论强度.体弹性模量和理论强度随H组分的变化规律都是相同的,即随H组分先增加后降低再增加.同时在应变很小的情况下,PdHx应力随原胞体积的变化较大;当应变进一步增大时,曲线的斜率逐渐减小,最后应力达到一个极限值.
四、研究了PdHx(x=0,0.25,0.5,0.75,1.0)的电子结构和磁学性质.对于金属Pd和H组分为0.25的氢化物结构,我们发现平衡结构时具有非零磁距,Pd,Pd4H1及Pd4H2结构具有较强的“磁致伸缩”效应.两种氢化物结构中原子的磁距与Pd-H原子间距有关,Pd-H原子间距越大,其磁距也越大.同时,氢化物体系的磁性随着H组分的增加而降低,磁性转变对应的原胞体积随着H组分的增加而增加.以上几种结构费米能级附近的态密度主要源于Pd原子4d电子的贡献.Pd氢化物在低能级区域出现了明显的态密度分布,我们发现它也主要源于H原子的1s电子的贡献.