金属钒块体中和表面上杂质原子的占位与扩散特性研究

【摘要】钒基合金具有良好的低活化特性和耐高温特性等优点，可应用于未来核聚变堆中第一壁结构材料。在高能辐照下，第一壁材料内部会产生大量的空位和自间隙等本征缺陷，聚变反应的反应物H和嬗变产物He等元素也会进入第一壁材料之中。在钒合金在制造过程中，微量元素(如C、N和O等)也会渗入到这些材料之中。这些缺陷和杂质会诱使这些材料发生脆化从而缩短了使用寿命。本文应用第一性原理方法研究了金属钒块体中本征缺陷的稳定性、上述五种杂质原子在金属钒块体及表面上的占位和扩散行为。(1)从能量的角度研究了钒块体中十种典型本征缺陷的占位构型及其稳定性。金属钒中的单空位构型的形成能最低，体系最稳定；<111>方向dumbbell自间隙构型的形成能仅高于单空位构型的情况，则是第二稳定的构型；而三种双空位构型的形成能都比较高，其中<110>方向的双空位构型的形成能为4.84eV，是最不稳定的构型。(2)从形成能、电荷密度、态密度和Bader电荷等四个方面研究了单个H、He、C、N和O原子在金属钒块体中三种不同占位下的稳定性机制。杂质与金属钒构成的总体系的形成能越低，杂质原子与最近邻钒原子之间的价电荷密度越高、杂质原子与最近邻钒原子的价态密度重叠现象越明显、杂质原子的总态密度在费米能级处的值越低以及杂质原子的Bader电荷值也越低，该体系就越稳定。所以，H和He在四面体间隙位置稳定，C、N和O在八面体间隙位置最稳定。此外，本文利用CINEB方法研究了这些杂质原子在金属钒块体中的扩散，结果表明H和He比C、N和O更容易在金属钒中扩散，其中H的扩散系数最大而N的最小。(3)从形成能、态密度以及Bader电荷等三个角度研究了单个杂质原子在金属钒表面上的择优占位，并结合CINEB方法研究了这些杂质在金属钒表面上及次表面间的扩散行为。闭壳层结构的He经弛豫后进入真空层。H、C、N和O在金属钒表面上的hollow位最稳定，H沿hollow-bridge-hollow路径的扩散势垒最低。TIS1是表面与次表面的中间位置，H、C、N和O在弛豫后的TIS1和TIS2两种构型中比较稳定。沿hollow-TIS1路径的扩散中，C原子最难扩散、N和O原子次之以及H原子最容易扩散；H、C、N和O原子从表面进入次表面比较难，反之比较容易。在次表面内沿TIS1-TIS2路径的扩散中，H最容易扩散，C、N和O原子相对较难扩散。
【作者】龚玲；
【导师】邓辉球；
【作者基本信息】湖南大学，物理学，2013，硕士
【关键词】本征缺陷；外来杂质原子；稳定性；扩散；第一性原理；钒；

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