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氦原子在金属钒、钛中扩散行为的理论研究

作　者: 吴仲成
导　师: 彭述明
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 核燃料循环与材料
关键词: 钒钛有效介质理论 CASTEP Dmo13 扩散势垒嵌入能
分类号: O614
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本论文开展了单个氦原子在金属钒、钛完美晶体中扩散行为的理论研究，采用有效介质理论(EMT)、CASTEP和Dmol3这三种量子力学的方法对由氦原子和金属构成的体系进行理论计算，从能量与晶胞体积的变化判断各种体系的稳定性，并计算获得相关间隙位置的扩散势垒，以预测氦原子在金属中最可几的扩散路径。通过原子轨道集居数、键分布集居数以及键结构和态密度分析，描述氦原子与金属之间相互作用的机理。有效介质理论计算的结果表明，氦原子在金属钒完美晶体的bcc结构中四面体间隙位置比八面体间隙位置的嵌入能更低，能量的大小为4.30eV，间隙位置之间的扩散势垒为0.003eV，扩散的最可几路径为沿着晶面按照四面体间隙和八面体间隙交替直线扩散，晶体模型中扩散的坐标位置为(1，1／4，1／2)、(1，1／2，1／2)、(1，3／4，1／2)。氦原子在金属钛中的情况与钒的相反，氦原子在金属钛中的八面体间隙位置比四面体间隙位置的嵌入能更低，嵌入能的大小为2.98eV，间隙位置之间的扩散势垒为0.3550，扩散的最可几路径为由间隙位置较大的八面体(o2)和邻近的间隙位置较大四面体(t1)构成的管状通道。利用基于量子力学的从头计算程序CASTEP对金属钒、钛的周期性模型的精细计算结果表明，V—He(t)(由氦原子嵌入到钒的四面体间隙构成的体系)体系具有比V—He(o)(由氦原子嵌入到钒的八面体间隙构成的体系)体系更低的能量，V-He(t)体系的单点能为-7976.5111eV，V-He(o)体系的单点能为-7975.7495eV，说明氦原子嵌入到钒的四面体间隙比八面体间隙具有更趋稳定的结构。V／He=4：1时，晶体体胀率很小，V-He(t)体系结构优化前后体积的变化小于V-He(o)体系。集居数分析表明氦原子与金属钒之间的相互作用主要是离子键，其对靠近氦原子晶格位置的钒有比较强的吸引，容易形成格点位置的空位缺陷。Ti-He(o2)体系在四种Ti-He体系(两种八面体和两种四面体)中具有最低的能量，单点能为-6481.4287eV，Ti-He(t1)次之，单点能为-6480.3876eV，在Ti-He体系中氦原子嵌入到o2位置具有更趋稳定的结构。结构优化前后体系体积的变化验证了能量计算获得的结果。集居数分析表明氦原子与金属钛之间也主要为离子相互作用，其对晶胞中钛原子有较强的吸引，容易形成中心位置的空位缺陷。利用Dmol3对钒、钛八面体和四面体团簇(Cluster)计算的结果表明，氦原子在金属钒四面体间隙的嵌入能比八面体间隙低，嵌入能为5eV；氦原子在金属钛八面体间隙的嵌入能比四面体间隙低，嵌入能为0.2eV。三种计算方法获得的氦原子在金属中嵌入能的绝对值相差较大，原因主要有两点：其一，三种计算方法近似的程度不同，有效介质理论采用的近似忽略了电子相互关联能，嵌入能的值偏大；CASTEP和Dmol3对体系作全电子计算，结果相对准确。其二，三种计算方法采用的晶体模型不同，有效介质理论采用超胞；CASTEP采用晶体周期性结构氦原子在金属钒、钦中扩散行为的理论研究模型;Dmol3采用Cluster。但三种计算方法获得的结果趋势是一致的，因此，根据计算要求不同可以选用不同的计算方法。比较氦原子在金属钒、钦中的扩散行为，氦原子在金属钒的bcc结构中处于四面体间隙更趋稳定，而在金属钦的hcp结构中处于八面体间隙更趋稳定。从每种方法计算获得的结果来分析，氦原子处于金属钒的四面体间隙时的嵌入能比处于金属钦的八面体间隙的嵌入能高，氦原子在金属钒的间隙位置之间发生扩散时的扩散势垒比在金属钦的间隙位置之间发生扩散时的扩散势垒低，因此氦原子在金属钦中比金属钒中更不易扩散。通过本论文的工作，建立了氦原子在典型晶体结构的简单金属中扩散过程的物理模型，为研究氦原子在复杂晶体结构的金属和氛化物中的行为提供理论方法和研究思路，进而为实验研究氦原子在金属氖化物中的扩散行为提供理论基础和技术支持。

全文目录

前言  8-10
第一章氦原子在金属中扩散行为的理论和研究现状  10-23
  1.1 氦原子与金属相互作用需要解决的主要问题  10
  1.2 氦原子在金属中扩散的三种机制  10-13
  1.3 单个氦原子在金属中扩散的理论研究  13-21
    1.3.1 有效介质理论  13-17
    1.3.2 基于两体对势理论的从头计算法  17
    1.3.3 基于量子力学的从头计算方法  17-21
    1.3.4 超胞理论  21
  1.4 其它研究氦原子在金属中行为的理论  21-23
    1.4.1 Dguss方法  21-22
    1.4.2 分子动力学(MD)研究氦原子在金属中的扩散  22
    1.4.3 M.J.Puska等人计算的轻的杂质在金属中静态性质  22-23
第二章单个氦原子在金属钒中扩散行为的理论研究  23-37
  2.1 有效介质理论计算  23-28
    2.1.1 理论模型  23-24
    2.1.2 氦原子在金属钒中可能的扩散路径分析  24
    2.1.3 氦原子在金属钒中嵌入能的计算和结果的讨论  24-27
    2.1.4 三种扩散路径计算结果的比较分析  27-28
  2.2 单个氦原子在金属钒中扩散行为的Castep计算  28-34
    2.2.1 理论模型  28-29
    2.2.2 能量计算和结果分析  29-30
    2.2.3 体积结构计算和结果分析  30
    2.2.4 原子轨道集居数分析  30-31
    2.2.5 键重叠集居数分析  31-32
    2.2.6 键结构和态密度分析  32-34
  2.3 单个氦原子在金属钒中扩散行为的Dmol3计算  34-36
    2.3.1 理论模型  34
    2.3.2 能量计算结果和分析  34-36
  2.4 三种方法在金属V-He体系计算结果的比较分析与小结  36-37
第三章单个氦原子在金属钛中扩散行为的理论研究  37-53
  3.1 有效介质理论计算  37-38
    3.1.1 理论模型  37-38
    3.1.2 能量计算和结构分析  38
  3.2 单个氦原子在金属钛中扩散行为的Castep计算  38-47
    3.2.1 理论模型  39-40
    3.2.2 能量计算和结果分析  40-41
    3.2.3 体积结构计算和结果分析  41-42
    3.2.4 原子轨道集居数分析  42-43
    3.2.5 键重叠集居数分析  43-44
    3.2.6 键结构和态密度分析  44-47
  3.3 单个氦原子在金属钛中扩散行为的Dmol3计算  47-50
    3.3.1 理论模型  47-48
    3.3.2 能量计算结果和分析  48-50
  3.4 三种方法在金属Ti-He体系中计算结果的比较分析与小结  50
  3.5 V与Ti三种计算结果的比较分析  50-53
第四章结论  53-56
参考文献  56-59
致谢  59-60
附录一参加学术交流及发表论文情况  60

氦原子在金属钒、钛中扩散行为的理论研究

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