Al₃Sc態(tài)密度的第一原理計算

何君琦 于力剛 路洪艷 王瑋 王杰 王亮

摘 要：應(yīng)用贗勢平面波方法，利用第一性原理CASTEP軟件，采用超軟贗勢和廣義梯度近似（GGA）計算Al3Sc的晶格常數(shù)及態(tài)密度.研究表明，Al3Sc的成鍵在費米能附近主要由Al原子的p軌道電子與Sc原子的d軌道電子雜化而成，費米能級以上是由Sc-Sc共價鍵和Al-Sc雜化鍵貢獻的;費米面處的電子態(tài)密度很小，共價鍵增強，有很好的區(qū)域穩(wěn)定性;在費米能級兩側(cè)，Al3Sc體現(xiàn)很強的共價性.

關(guān)鍵詞：Al3Sc;第一性原理;晶格常數(shù);態(tài)密度

[中圖分類號]O469 ? [文獻標志碼]A

Abstract：The method of the paper is the plane-wave pseudo-potential， which is based on the density functional theory. Ultra-soft pseudo-potential（USPP） and generalized gradient approximation（GGA） were used to calculate the lattice constant and analyze the density of state Al3Sc by CASTEP software based on the first-principle theory， the results show that，near by the Fermi energy， the bonds of Al3Sc are mainly mixed by electrons of Al p and electrons of Sc d; Over the Fermi energy， those bonds are mainly contributed by covalent bond of Sc-Sc and hybrid bond of Al-Sc; the electrons on the Fermi energy which have low density of state and high covalent bond， show good regional stability; on either side of Fermi energy， Al3Sc reflect high covalent.

Key words：Al3Sc; First-principles; lattice constant; density of states

Al3Sc具有強度高、抗沖擊性能和抗腐蝕性能好、易加工、熔點高等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用.[1-3]Cacciamani G等采用CALPHAD方法計算Al-Sc的熱力學性質(zhì).[4]蘇振興利用第一性原理研究了Al-Sc合金的相結(jié)構(gòu).[5]路貴民以Miedemma二元合金生成熱模型為基礎(chǔ)計算了1 773 K時Al-Sc合金中的活度以及部分熱力學.[6]第一性原理方法被廣泛應(yīng)用于材料的微觀結(jié)構(gòu)理論計算中[7-8]，本文采用第一性原理方法，用態(tài)密度和分波態(tài)密度分析Al3Sc合金材料，研究其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從微觀層面揭示Al3Sc的性質(zhì)，為研究Al3Sc等相關(guān)材料提供理論依據(jù)與實驗指導(dǎo)，使這種材料在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用.

2 態(tài)密度分析

運用CASTEP軟件對Al3Sc化合物的態(tài)密度與分波態(tài)密度進行第一性原理計算，計算結(jié)果見圖2.Al3Sc態(tài)密度的特征是-30～-25 eV有個尖峰，這個尖峰由Sc原子p軌道電子貢獻的.本文在研究Al3Sc的態(tài)密度時，只考慮在費米能（EF）附近態(tài)密度變化的情況，所以使費米能（EF）移到零點，標記見圖2.

（1）由圖2（a）和（b）可知，在費米面周圍，Al原子的p軌道電子與Sc原子的d軌道電子的態(tài)密度出現(xiàn)共振現(xiàn)象，可知兩者之間產(chǎn)生很強的相互作用，說明Al3Sc的成鍵在費米能（EF）周圍主要是由Al原子的p軌道電子與Sc原子的d軌道電子雜化而成.

（2）由圖2（c）可知，Al3Sc中的Al原子和Sc原子在費米能處的態(tài)密度都不為零，態(tài)密度兩側(cè)都有兩個尖峰，說明存在贗能隙，體現(xiàn)共價鍵特性.由于費米能級兩側(cè)的贗能隙（尖峰間距）很大，說明體現(xiàn)著很強的Sc-Sc和Al-Al的共價性.

（3）如圖2（c）所示，體系中在-9～-4.5 eV范圍出現(xiàn)Al-Al 共價鍵，在費米面以上是由Sc-Sc和Al-Sc鍵貢獻的由于EF偏靠反鍵峰一側(cè)，而且?guī)缀跷挥诩夥彘g距底部，說明此處的電子態(tài)密度非常小，由此可知Al3Sc模型的共價鍵增強，局域相應(yīng)的穩(wěn)定性很好.

3 結(jié)論

采用第一性原理方法，利用CASTEP軟件，計算Al3Sc的晶格常數(shù)，計算值與實驗值相差1.48%，說明計算值與實驗值結(jié)果符合良好.進一步計算Al3Sc的態(tài)密度，得出以下結(jié)論：Al3Sc的成鍵在費米能（EF）附近主要是由Al原子的p軌道電子與Sc原子的d軌道電子雜化而成;在-9～-4.5 eV范圍出現(xiàn)Al-Al共價鍵，在費米能級以上是由Sc-Sc和Al-Sc鍵貢獻的;EF偏于靠反鍵峰一側(cè)，而且?guī)缀跏俏挥诩夥彘g隔底部，說明此處的電子態(tài)密度非常小，共價鍵增強了，局域相應(yīng)的穩(wěn)定性很好;在費米能級兩側(cè)的尖峰間隔很大，體現(xiàn)很強的共價性.

參考文獻

[1]鄭洪，林順巖.鋁鈧合金的研究與開發(fā)[J].鋁加工，2005（5）：44-49.

[2]柏振海，羅兵輝.鈧在鋁及鋁合金中的作用[J].材料導(dǎo)報，2003，17（17）：6.

[3]郭中正，甘國友，嚴繼康，等.鋁鈧合金的現(xiàn)狀與展望[J].云南冶金，2005，34（3）：35-36.

[4]Cacciamani G，Riani P，Borzone G，et al.Thermodynamic measurements and assessment of the Al-Sc system[J].Intermetallics，1999，7（1）：101-108.

[5]蘇振興，王雨晨，王紹青.Al-Sc合金相結(jié)構(gòu)的第一原理研究[J].金屬學報，2010，46（5）：623-628.

[6]路貴民.Al-Sc合金熱力學性質(zhì)的研究[J].有色金屬工程，1999（2）：76-78.

[7]公丕鋒，馬東，韋學玉，等.基于Ag2WO4光催化材料的第一性原理計算[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2017（4）：33-36.

[8]魏夢俊，王妮娜，劉曉靜，等.石墨烯電子結(jié)構(gòu)和聲子譜的第一性原理計算研究[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2014（4）：17-19.

[9]李燕峰，徐慧，張彪，章立剛.Al-Sc金屬間化合物的電子結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性和熱力學性質(zhì)[J].中國有色金屬學報，2010，20（5）：948.