氦在fcc金-银合金中行为的从头算研究

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作为放射性金属,钚(Pu)易受老化的影响。Pu衰变时,由于衰变产物氦(He)原子会聚集成团簇和氦泡,从而导致Pu机械性能下降。Pu中氦行为的机理对于探索Pu自辐照损伤老化是很重要的。由于在室温下,δ-Pu的活泼性和不稳定性,用实验研究δ-Pu中的He行为是困难的。然而,若寻找一种物质作为δ-Pu的替代品,通过研究该物质的辐照损伤可以间接得知辐照损伤对δ-Pu材料性能的影响,那么对δ-Pu的研究将会迈进一大步。本文在前人的基础上,选用金(Au)—银(Ag)合金作为δ-Pu的替代物。采用基于密度泛函理论的从头算方法研究了氦原子点缺陷在fcc Au-Ag合金中的行为。我们使用基于密度泛函理论的VASP程序包,以fcc Au-Ag合金为主要研究对象,进行了以下几项计算工作:  (1)研究了He原子在Au、Ag纯金属中的稳定位置,结果显示He原子在fcc纯金属Au和Ag中相对稳定位置排列规律:替换位置→八面体间隙→四面体间隙,在两种金属(Au和Ag)中He原子相似的稳定性可能归因于宿主原子(Au和Ag)与He原子之间相似的相互作用,因为二者有相似的电子结构:Au(5d106s1)和Ag(4d105s1).  (2)计算了He原子在Au3Ag2合金中可能的间隙和替换位置的形成能,并分析了He原子占据位置的相对稳定性,以八面体间隙为例,对He原子在Au3Ag2合金中占据位置的态密度进行了分析,并对 He原子点缺陷在 Au3Ag2合金中的迁移做了初步研究。计算数据表明单个 He原子点缺陷在 Au3Ag2合金中位置占据的先后顺序依次为:替换位置、八面体间隙和四面体间隙位置。He杂质在Au3Ag2合金中的稳定性主要依赖于最近邻宿主金属原子的分布配置,间隙He原子更喜欢停留在近邻Ag原子较多的位置,而替位He原子更喜欢留在近邻Au原子较多的位置。在Au3Ag2合金中,金属原子的d轨道和He原子的p轨道之间的杂化作用对间隙He原子点缺陷的相对稳定性起着至关重要的作用。间隙He原子会首先占据octa-1位置,低温情况下He原子不易从octa-1位置经tetra-3迁移到邻近的octa-1位置。  (3)计算了He原子在AuAg合金中所有缺陷位置的形成能,并分析了He原子占据位置的相对稳定性,对间隙He原子在AuAg合金中占据位置的态密度进行了分析,并对He原子点缺陷在AuAg合金中的迁移做了初步研究。结果表明和Au3Ag2合金时的情形一样,单个He原子点缺陷在AuAg合金中位置占据的先后顺序依次为:替换位置、八面体间隙和四面体间隙位置。He杂质原子在AuAg合金中的稳定性主要依赖于最近邻宿主金属原子的分布配置,He原子喜欢停留的位置周围的金属原子分布与Au3Ag2合金中的情况一致。在AuAg合金中,金属原子的d轨道和He原子的p轨道之间的杂化作用对间隙He原子点缺陷的相对稳定性起着至关重要的作用。在AuAg合金中间隙He原子会首先占据octa-2位置,低温情况下He原子不易从octa-2位置经octa-1迁移到邻近的octa-2位置,当He占据在形成能稍高一些的tetra位置时,可能在两个相邻的tetra之间迁移。  值得注意的是,比较Au3Ag2合金和AuAg合金中的He行为,发现Au-Ag合金中He原子点缺陷的形成能大小和相对稳定性不仅与缺陷附近宿主原子的配置有关系,还和宿主合金的质量密度有关系。
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