ga掺杂δ-pu的密度泛函理论计算

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1、Ga掺杂S-pu的密度泛函理论计算李大伟高云亮朱芫江李进平火箭军工程大学中国科学院力学研宄所高温气体动力学国家重点实验室s-Pu为Pu的高温相，掺杂少量的Ga即可使其在室温下稳定存在。为了研宄Ga掺杂的影响及其机制，文章采用密度泛函理论方法，对不同掺杂量体系进行了晶体结构和电子结构计算，主耍包括体系的晶格常数、密度、形成能、态密度、电荷密度和Mulliken布居分析。计算结果表明，在研宄范围内，Ga掺杂后，体系晶格常数降低，密度增大，但6.25at%掺杂量的体系的稳定性高于3.125at%和12.5at%掺杂量的体系掺杂使得Pti

2、周围体系电子的局域性增强，成键能力增强，这在一定程度上揭示了Ga稳定5-Pu的电子机制。Ga和Pu之间为金属键，发生的作用主要由Pu的7s、6p、6d和Ga的4s、4p轨道电子贡献，但这种成键作用相对较弱，使得掺杂体系可以保持原有的力学性能和机械加工性能。总体上来看，Ga对S-pu的稳定作用主要在于改善了pu原子的成键性能，而不是与Pu原子的直接成键作用。关键词：Ga掺杂;S-Pu;晶体结构;电子结构;密度泛函理论;在元素周期表中，Pti位于轻锕元素和重锕元素的边界，苏5f电子冋吋具有定域性和离域性的特点U1。心的5f电子成键特征

3、复杂丑对环境非常敏感，使得Pu表现出极其复杂的物理化学性质。上世纪40~60年代，研宂人员对Pu及其合金和化合物的基本性质进行了大量的实验研宄，研宄成果在文献m中有详细地介绍。然而，由于Pu的放射性、毒性以及复杂物理的物理和化学性质，精密的实验研宄面临很大困难。尽管目前在Pl!的宏观性质研宄方面已经取得了许多研宄成果，但对其机理仍然缺乏足够深入的认识，因而发展具有预测能力的理论研究方法越来受到研究人员的重视［3-7］。从室温到913K(Pu的熔点)的较小范围内，Pu存在a、p、y、S、S’、e等6种同素异晶体，其中S-Pu的力学性

4、能和机械加工性能最好，应用也最为广泛。纯的S-PU稳定存在的温度范围为31(f452K，实验研宄表明，只需lat%~2at%的Ga，即可使S-pu保留到室温，而使之稳定存在的Ga含量为2at%"9at%［8］oNada1和Bourgeois££l利用超声脉冲方法研究了温度对2.3at%Ga含量的S相Pu-Ga合金弹性模量的影响，发现其杨氏模量、体积模量和剪切模量均随温度的升高而降低。WheelerXM等在实验上采用密度和硬度测量、X射线衍射以及电子探针显微分析等方法研宄了0.18wt%(即0.61at%)Ga含量的Pu-Ga合金的

5、结构和性质，结果表明0.18wt%的Ga含量不足以使S-pu合金在环境温度下稳定存在，而会以a-pu和S-pu混合态的形式存在。在理论研究方面，分子动力学方法、动力学平均场理论方法及第一性原理方法在5相Pu-Ga合金的研宄方面都有比较广泛的应用。其中分子动力学方法的一个重要任务在于正确描述Pu-Pu和Pu-Ga的和互作用势，目前嵌入原子势(EAM)以及修正嵌入原子势(MEAM)在S-pu及pu-Ga合金的研宄领域有大量的应用［11-14］，但分子动力学方法无法从电子的层次深刻理解Pu-Ga合金的性质机理。作为20世纪90年代发展起

6、来的一种非微扰多体技术，动力学平均场理论DMET及其团簇扩展CDMET可以同时考虑电子的能带特性和类原子特性，为研宄强关联电子体系提供了新的有效途径，但DMFT方法迄今难以进行表面电子态的计算［15］。而基于密度泛函理论(DFT)［16-20］的第一性原理方法是目前凝聚态物理的主流计算方法，也是研究钚及其化合物性质的一种可靠方法，其中有关S相Pu-Ga合金的性质研究的报道也比较广泛。另外，DFT+DMFT是目前国际上比较公认的强关联电子体系计算最精确的方法之一，其特点是结合DFT和DMET各自的优点，即用DFT处理电子的弱关联效应

7、，而用DMFT处理由d电子和f电子引起的强关联效应，但DFT+DMFT方法的计算成木相对较高，目前主要局限于一些对称性高、原子数较少的体系计算。SadighX^il等采用基于自旋极化(SpinPolarized,SP)密度泛函理论(DFT)的平面波赝势方法研究丫S相Pu_Ga合金的结构和热力学性质，结果表明考虑自旋极化效应可以成功地计算低Ga含量8和Pu-Ga合金的全部结构性质和大多数热力学性质。罗文华［22］等采用全势线缀加平面波(FPLAW)方法，在广义梯度近似(GeneralizedGradientApproximation

8、,GGA)+自旋轨道鍋合(SOC)+SP条件下计算了Ga等合金化元素和Pu的化合物的平衡结构、电子结构和形成热，结果表明Pu和这些合金化元素的原子轨道间的杂化作用取决于Pu原子的6d和5f、合金化原子的p和Pu原子的6d以及合金化原子的sp轨道杂化