ZnO和MgO物态方程的计算机模拟研究

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本论文简要综述了国内外关于材料物态方程及其热力学特性的研究现状和最新进展,以地球下地幔重要组成物质MgO和ZnO晶体材料为研究对象,利用分子动力学(MD)方法和Buckingham经验对势,并结合不同的势能模型对高温高压下的MgO和ZnO岩盐结构物态方程及热力学特性进行了模拟计算。比较研究了温度在300~3000K、压力在0~150GPa范围内,MgO摩尔体积(V<,mol>)、压力(P)和温度(T)之间的关系,即狭义意义上的物态方程;预测了温度在300~3000K、压力在0~150GPa范围内,MgO热膨胀、定压热容和等温体模量等特性;另外还计算和预测了300~2273K和0~50GPa温压范围内ZnO岩盐结构的狭义物态方程及其热力学特性参数,并对这两种材料的物态方程及热力学特性给出了一些规律性的认识。 首先用MD方法对ZnO岩盐结构的物态方程及其等温体模量Br、热膨胀系数αp和热容Cp热力学参量进行了数值计算,并对其在高温高压下的等温体模量、热膨胀系数和热容等参量进行了预测,预测压力和温度分别高达50GPa和2273K。结果表明:等温体模量随压缩比的增加而增加,随温度的增加而减小;体积热膨胀系数随压力的增加逐渐减小,在压力较低时随温度的增加而增加;等压热容随温度的增加而增加,随压力的增加而减小,高压时温度对等压热容的影响较之低压平缓。以上热力学参数在凝聚态物理学的研究中具有一定的科学意义和应用背景。 然后利用三种不同的势能模型对MgO氯化钠结构的物态方程及热力学参量作了模拟计算和预测,发现MgO的体积随压力的增加而降低,随温度的升高而升高,说明增加压力与减小温度的效果是相同的,在温度为300K时,计算结果与实验和其他理论值符合很好,计算得到常态下的热容、体弹性模量及其对压强的一阶导数与实验和其它理论值相一致,并成功地得到了相对体积、热膨胀、热容分别与温度压强的关系曲线。利用壳模型和呼吸壳模型分子动力学方法预测了氯化钠结构的.MgO在压力和温度分别高达150GPa和3000K下的状态方程和热力学性质,预测结果表明:由于考虑了材料的共价特性及其离子体系的非中心力,而且在模拟过程中允许氧离子的排斥半径在晶体中与其它离子的作用下各向同性地变形,比较实际的考虑了固体的压缩性,故用呼吸壳层模型得到的模拟结果,几乎与从头算结果完全一致。
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