带有碳杂质的钨中氢稳定性的第一性原理研究

金硕; 孙璐

doi:10.7498/aps.61.046104

摘要

应用第一性原理计算方法研究了碳(C)原子对钨(W)中氢(H)原子稳定性的影响. 本征W中, 当C-H间距离为～2.5 Å时, H的溶解能出现最低值, 此时为H最稳定的位置. W中存在空位时, 由于C的影响, H占据的最佳电子密度面值为0.10 Å-3. 研究发现, W中单空位最多能容纳10个H原子, 且不能形成H分子, 不同于没有C存在的情况, 表明C对W中H稳定性存在很大影响. 此外, 当两个C原子存在于空位中时, H占据的最佳电子密度面值变为0.13 Å-3.

关键词:

氢(H) /
碳(C) /
钨(W) /
第一性原理方法

Abstract

Stability of hydrogen (H) in tungsten (W) with carbon (C) impurity is investigated by using the first-principles method. In intrinsic W, C exhibits a week attractive interaction with H at a distance of ～2.5Å, and it is the most stable site of H in the bulk W with C. In the presence of the monovacancy in W, H prefers to bind onto an isosurface of the same charge density of 0.10 Å-3, due to the existence of C. Our research finds that the monovacancy in W can contain only ten H atoms and H molecule cannot be formed in comparison with the result without C, suggesting a strong effect of C on H stability in W. When two C atoms exit in the vacancy, the charge density of the isosurface that H binds onto is 0.13 Å-3.

Keywords:

作者及机构信息

金硕,
孙璐

1.
北京航空航天大学, 物理科学与核能工程学院, 北京 100191

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：50871009, 51001006)和北航“唯实”人才培育基金(批准号： YWF-11-03-Q-080)资助的课题.

Authors and contacts

Jin Shuo,
Sun Lu

1.
School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos.50871009 and 51001006), and the “WeiShi” Foundation of Beihang University (Grant No. YWF-11-03-Q-080).

参考文献

[1]	Kaufmann M, Neu R 2007 Fus. Eng. Des. 82 521
[2]	Pamela J, Matthews G F, Philpps V, Kamendje R 2007 J. Nucl. Mater. 363-365 1
[3]	Doerner R P 2007 J. Nucl. Mater. 363-365 32
[4]	Luo G N, Shu W M, Nishi M 2005 J. Nucl. Mater. 347 111
[5]	Shu W M, Wakai E, Yamanishi T 2007 Nucl. Fusion 47 201
[6]	Jiang D E, Carter E A 2003 Phys. Rev. B 67 214103
[7]	Fukai Y, Okuma N 1994 Phys. Rev. Lett. 73 1640
[8]	Lu G, Kaxiras E 2002 Phys. Rev. Lett. 89 105501
[9]	Rouquette J, Dolejs D, Kantor I Y, McCammon C A, Frost D J, Prakapenka V B, Dubrovinsky L S 2008 Appl. Phys. Lett. 92 121912
[10]	Domain C, Becquart C S, Foct J 2004 Phys. Rev. B 69 144112
[11]	Vehanen A, Hautojarvi P, Johansson J, Ylikauppila J, Moser P 1982 Phys. Rev. B 25 762
[12]	Tapasa k, Barashev A V, Bacon D J, Osetsky Y N 2007 Acta Materialia 55 1
[13]	Liu Y L, Zhang Y, Zhou H B, Liu F, Luo G N, Lu G H 2009 Phys. Rev. B 79 172103
[14]	Hautojarvi P, Johansson J, Vehanen A, Ylikauppila J, Moser P 1980 Phys. Rev. Lett. 44 1326
[15]	Follstaedt DM, Knapp J A, Pope L E, Yost F G, Picraux S T, 1984 Appl. Phys. Lett. 45 529
[16]	Santaniello A, Moller W, Roth J 1989 J. Appl. Phys. 65 3400
[17]	Omuro K, Miura H 1994 Appl. Phys. Lett. 64 2961
[18]	Oya Y, Inagaki Y 2009 J. Nucl. Mater. 622 390
[19]	Causey R, Wilson K, Venhaus T, Wampler W R 1999 J. Nucl. Mater. 266-269 467
[20]	Duan C, Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y, Jin S, Lu G H 2010 J. Nucl. Mater. 404 119
[21]	Zhang Y, Lu G H, Deng S H, Wang T M 2006 Acta Phys.Sin. 55 2901 (in Chinese) [张颖, 吕广宏, 邓胜华, 王天民 2006 55 2901]
[22]	Lu G H, Deng S H, Wang T M 2004 Phys. Rev. B 69 134106
[23]	Zhang Y, Lu G H, Deng S 2007 Phys. Rev. B 75 174101
[24]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[25]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[26]	Hohenberg G P, Kohn W 1964 Phys. Rev. B 136 864
[27]	Kohn W, Sham L J 1965 Phys. Rev. A 140 1133
[28]	Perdew J P, Wang Y 1992 Phys. Rev. B 45 13244
[29]	Blochl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953
[30]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[31]	Kittel C 1996 Introduction to Solid State Physics, 7th ed. (Wiley, New York, 1996)
[32]	Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y, Jin S, Lu G H 2010 J. Phys. Condens Mat. 22 445504
[33]	Zhou H B, Liu Y L, Jin S, Zhang Y, Luo G N, Lu G H, 2010 Nucl. Fus. 50 025016
[34]	Heinola K, Ahlgren T, Norlund K, Keinonen J 2010 Phys. Rev. B 82 094102
[35]	Jiang B, Wan F R, Geng W T 2010 Phys. Rev. B 81 134112
[36]	Melissas V S, Truhlar D G 1993 J. Chem. Phys. 99 3542
[37]	Toth L E 1971 Transition Metal Carbides and Nitrides (Academic new York, 1971)

施引文献

[1]	Kaufmann M, Neu R 2007 Fus. Eng. Des. 82 521
[2]	Pamela J, Matthews G F, Philpps V, Kamendje R 2007 J. Nucl. Mater. 363-365 1
[3]	Doerner R P 2007 J. Nucl. Mater. 363-365 32
[4]	Luo G N, Shu W M, Nishi M 2005 J. Nucl. Mater. 347 111
[5]	Shu W M, Wakai E, Yamanishi T 2007 Nucl. Fusion 47 201
[6]	Jiang D E, Carter E A 2003 Phys. Rev. B 67 214103
[7]	Fukai Y, Okuma N 1994 Phys. Rev. Lett. 73 1640
[8]	Lu G, Kaxiras E 2002 Phys. Rev. Lett. 89 105501
[9]	Rouquette J, Dolejs D, Kantor I Y, McCammon C A, Frost D J, Prakapenka V B, Dubrovinsky L S 2008 Appl. Phys. Lett. 92 121912
[10]	Domain C, Becquart C S, Foct J 2004 Phys. Rev. B 69 144112
[11]	Vehanen A, Hautojarvi P, Johansson J, Ylikauppila J, Moser P 1982 Phys. Rev. B 25 762
[12]	Tapasa k, Barashev A V, Bacon D J, Osetsky Y N 2007 Acta Materialia 55 1
[13]	Liu Y L, Zhang Y, Zhou H B, Liu F, Luo G N, Lu G H 2009 Phys. Rev. B 79 172103
[14]	Hautojarvi P, Johansson J, Vehanen A, Ylikauppila J, Moser P 1980 Phys. Rev. Lett. 44 1326
[15]	Follstaedt DM, Knapp J A, Pope L E, Yost F G, Picraux S T, 1984 Appl. Phys. Lett. 45 529
[16]	Santaniello A, Moller W, Roth J 1989 J. Appl. Phys. 65 3400
[17]	Omuro K, Miura H 1994 Appl. Phys. Lett. 64 2961
[18]	Oya Y, Inagaki Y 2009 J. Nucl. Mater. 622 390
[19]	Causey R, Wilson K, Venhaus T, Wampler W R 1999 J. Nucl. Mater. 266-269 467
[20]	Duan C, Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y, Jin S, Lu G H 2010 J. Nucl. Mater. 404 119
[21]	Zhang Y, Lu G H, Deng S H, Wang T M 2006 Acta Phys.Sin. 55 2901 (in Chinese) [张颖, 吕广宏, 邓胜华, 王天民 2006 55 2901]
[22]	Lu G H, Deng S H, Wang T M 2004 Phys. Rev. B 69 134106
[23]	Zhang Y, Lu G H, Deng S 2007 Phys. Rev. B 75 174101
[24]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[25]	Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[26]	Hohenberg G P, Kohn W 1964 Phys. Rev. B 136 864
[27]	Kohn W, Sham L J 1965 Phys. Rev. A 140 1133
[28]	Perdew J P, Wang Y 1992 Phys. Rev. B 45 13244
[29]	Blochl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953
[30]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[31]	Kittel C 1996 Introduction to Solid State Physics, 7th ed. (Wiley, New York, 1996)
[32]	Liu Y L, Zhou H B, Zhang Y, Jin S, Lu G H 2010 J. Phys. Condens Mat. 22 445504
[33]	Zhou H B, Liu Y L, Jin S, Zhang Y, Luo G N, Lu G H, 2010 Nucl. Fus. 50 025016
[34]	Heinola K, Ahlgren T, Norlund K, Keinonen J 2010 Phys. Rev. B 82 094102
[35]	Jiang B, Wan F R, Geng W T 2010 Phys. Rev. B 81 134112
[36]	Melissas V S, Truhlar D G 1993 J. Chem. Phys. 99 3542
[37]	Toth L E 1971 Transition Metal Carbides and Nitrides (Academic new York, 1971)

[1]	计晨. 原子兰姆位移与超精细结构中的核结构效应. , 2024, 73(20): 202101. doi: 10.7498/aps.73.20241063
[2]	崔子纯, 杨莫涵, 阮晓鹏, 范晓丽, 周峰, 刘维民. 高通量计算二维材料界面摩擦. , 2023, 72(2): 026801. doi: 10.7498/aps.72.20221676
[3]	彭军辉, TikhonovEvgenii. 三元Hf-C-N体系的空位有序结构及其力学性质和电子性质的第一性原理研究. , 2021, 70(21): 216101. doi: 10.7498/aps.70.20210244
[4]	李君, 刘立胜, 徐爽, 张金咏. 单轴压缩下Ti₃B₄的力学、电学性能及变形机制的第一性原理研究. , 2020, 69(4): 043102. doi: 10.7498/aps.69.20191194
[5]	黄瑞, 李春, 金蔚, GeorgiosLefkidis, WolfgangHübner. 双磁性中心内嵌富勒烯Y₂C₂@C₈₂-C₂(1)中的超快自旋动力学行为. , 2019, 68(2): 023101. doi: 10.7498/aps.68.20181887
[6]	姜平国, 汪正兵, 闫永播, 刘文杰. W20O58(010)表面氢吸附机理的第一性原理研究. , 2017, 66(24): 246801. doi: 10.7498/aps.66.246801
[7]	姜平国, 汪正兵, 闫永播. 三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究. , 2017, 66(8): 086801. doi: 10.7498/aps.66.086801
[8]	邓小清, 孙琳, 李春先. 界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能. , 2016, 65(6): 068503. doi: 10.7498/aps.65.068503
[9]	田文, 袁鹏飞, 禹卓良, 陶斌凯, 侯森耀, 叶聪, 张振华. 掺杂六角形石墨烯电子输运特性的研究. , 2015, 64(4): 046102. doi: 10.7498/aps.64.046102
[10]	王欣欣, 张颖, 周洪波, 王金龙. 铌对钨中氦行为影响的第一性原理研究. , 2014, 63(4): 046103. doi: 10.7498/aps.63.046103
[11]	赵玉娜, 高涛, 吕金钟, 马俊刚. Li-N-H储氢体系热力学性质的第一性原理研究. , 2013, 62(14): 143101. doi: 10.7498/aps.62.143101
[12]	卢金炼, 曹觉先. 单个钛原子储氢能力和储氢机制的第一性原理研究. , 2012, 61(14): 148801. doi: 10.7498/aps.61.148801
[13]	李青坤, 孙毅, 周玉, 曾凡林. 第一性原理研究bct-C4碳材料的强度性质. , 2012, 61(9): 093104. doi: 10.7498/aps.61.093104
[14]	李青坤, 孙毅, 周玉, 曾凡林. 第一性原理研究hcp-C3碳体环材料的力学性质. , 2012, 61(4): 043103. doi: 10.7498/aps.61.043103
[15]	李春, 张少斌, 金蔚, Georgios Lefkidis, Wolfgang Hübner. 线性磁性分子离子中由激光诱导的超快自旋转移. , 2012, 61(17): 177502. doi: 10.7498/aps.61.177502
[16]	张辉, 张国英, 肖明珠, 路广霞, 朱圣龙, 张轲. 金属元素替代对Li4BN3H10储氢材料释氢影响机理的第一性原理研究. , 2011, 60(4): 047109. doi: 10.7498/aps.60.047109
[17]	李金, 桂贵, 孙立忠, 钟建新. 单轴大应变下二维六角氮化硼的结构变化. , 2010, 59(12): 8820-8828. doi: 10.7498/aps.59.8820
[18]	原鹏飞, 祝文军, 徐济安, 刘绍军, 经福谦. BeO高压相变和声子谱的第一性原理计算. , 2010, 59(12): 8755-8761. doi: 10.7498/aps.59.8755
[19]	徐勇, 王贤龙, 曾雉. 中性和带电小钨团簇的第一性原理研究. , 2009, 58(13): 72-S78. doi: 10.7498/aps.58.72
[20]	顾娟, 王山鹰, 苟秉聪. Au和3d过渡金属元素混合团簇结构、电子结构和磁性的研究. , 2009, 58(5): 3338-3351. doi: 10.7498/aps.58.3338

计量

文章访问数: 6859
PDF下载量: 412
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板