压力下钒发生相变的第一性原理计算 (2009年)

利用投影缀加波方法对金属钒加压至400GPa左右的结构相变过程进行了第一性原理研究。计算了相变中的热力学转变压力和失稳转变压力,并对相变前后的电子性质进行了研究。结果表明:钒在低压下为体心立方结构,随着压力增大转变为菱方结构,压力继续增大最后又重新转变为体心立方结构。热力学计算得到的BCC→rhu(α>109.47°)→rhl(α&lt;109.47°)→BCC三次转变压力分别为27,104和310GPa。利用剪切弹性常数C44计算得到的2次失稳压力分别为52和255GPa。能带计算表明,在加压过程中高对称点Γ ### 压力下钒发生相变的第一性原理计算 #### 概述 本文献主要研究了金属钒在高压条件下（约400GPa）的结构相变过程及其电子性质变化，采用的方法是第一性原理计算中的投影缀加波（Projector Augmented Wave, PAW）方法。通过这一计算，作者们探索了不同压力条件下钒的结构相变、热力学转变压力、失稳转变压力以及电子结构的变化情况。 #### 主要研究内容及结果 1. **结构相变过程**： - 在低压环境下，金属钒呈现出体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）结构。 - 当压力增加时，钒会发生结构相变，转变为菱方（Rhombic, rhl）结构。该过程具体可以细分为BCC → rhu (α > 109.47°) → rhl (α < 109.47°) → BCC的过程。 - 最终，在足够高的压力作用下，金属钒再次转变为体心立方结构。 2. **热力学转变压力**： - 从BCC到rhu的第一次转变发生在大约27GPa的压力下。 - 从rhu到rhl的第二次转变压力约为104GPa。 - 最后一次从rhl回到BCC结构的转变压力则为310GPa。 3. **失稳转变压力**： - 通过剪切弹性常数C44的计算，确定了两次失稳压力，分别是52GPa和255GPa。 4. **电子性质的变化**： - 在加压过程中，高对称点Γ附近的能带状态发生变化，由非占据态转变为占据态。 - 费米能级之上电子态密度的变化显示出了明显的s-p-d带间的电子迁移现象。 #### 方法论 - **第一性原理计算**：基于量子力学原理进行的计算方法，无需事先了解物质的具体参数即可预测其物理性质。本文使用的是PAW方法，能够精确地模拟固体材料的电子结构和物理性质。 - **热力学计算**：通过对系统能量、熵等热力学量的计算来确定相变点。在本文中，作者们使用第一性原理计算得到了不同压力条件下的自由能，进而确定了热力学转变压力。 - **剪切弹性常数C44的计算**：通过计算材料在不同压力条件下的剪切模量，进一步确定了失稳转变压力。 #### 结论 本研究表明，金属钒在高压条件下经历复杂的结构相变过程。这些相变不仅影响材料的宏观物理性能，而且对其电子性质产生了显著的影响。通过对相变前后电子结构的分析，可以更好地理解这些变化背后的物理机制。这一研究成果对于深入理解金属材料在极端条件下的行为具有重要的理论意义，同时也为新材料的设计提供了理论基础。