ruc高压相变的第一性原理计算-外文翻译及原文毕业设计正文.doc

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本科毕业设计（论文）外文翻译译文

学生姓名：
院 （系）： 材料科学与工程
专业班级： 材料1101
指导教师：
完成日期： 2015年3月1日

要 求

1、外文翻译是毕业设计（论文）的主要内容之一，必须学生独立完成。
2、外文翻译译文内容应与学生的专业或毕业设计（论文）内容相关，不得少于15000印刷符号。
3.外文翻译译文用A4纸打印。文章标题用3号宋体，章节标题用4号宋体，正文用小4号宋体，20磅行距；页边距上、下、左、右均为2.5cm，左侧装订，装订线0.5cm。按中文翻译在上，外文原文在下的顺序装订。
4、年月日等的填写，用阿拉伯数字书写，要符合《关于出版物上数字用法的试行规定》，如“2005年2月26日”。
5、所有签名必须手写，不得打印。

RuC高压相变的第一性原理计算

First-principle calculations of high-pressure phase transformations in RuC
作者：Jian Hao, Xiao Tang, Wenjing Li, Yinwei Li
起止页码：46004-p1~p5
出版日期（期刊号）：EPL, 105 (2014) 46004,2014年2月27日
出版单位：IOP, EPL (Europhysics Letters)
摘要 - 使用第一原理计算在高压下RuC的结构稳定性。结果表明，在9.3GPa的压力下，RuC从ZB型（闪锌矿型）结构转变为空间群为I4mm的四面体结构 。通过RuC金字塔构造的I4mm结构的稳定性达26GPa ，在更高压力下，则更有利成为WC型结构。观察到伴随ZB型→ I4mm → WC型的相序，配位数增加从4至5，然后至6 。能带结构的计算表明， ZB型相是半导体，而I4mm和WC型相是金属。此外， 对所有三个阶段的RuC的机械特性进行了讨论。
简介 - 经压缩，由于原子间相互作用的变化和电子密度的再分配，化合物通常经历若干次相变。结构的变化也因此可以引起物理性质的剧烈变化[1]。如果转变是不可逆的，新相可以恢复到室温状态。因此，压缩一直是一种有效的方式来合成新型功能材料。一个典型的例子是人造金刚石，这是经历高压和高温后合成的一种室温下为亚稳相的材料。
近年来，过渡金属碳化物(钛基复合材料)由于其显著的物理特性被广泛关注，如高刚度、高硬度、高导热性和高熔点。大多数合成的钛基复合材料被视为硬/超硬材料，因为他们表现出非常高的体积弹性模量，如TiC(242GPa)[2]，ZrC(223GPa)[3]，WC(439 GPa)[4]和PtC(303 GPa)[5]。 RuC，大约五十年前合成[6，7]，被认为是硬金属碳化物[6]。基于它极其微弱的X射线衍射数据，RuC被近似假设为六方WC型结构[6]。最近，通过计算特定的10个典型的AB型结构的总能量，由田等人提出，立方ZB型（闪锌矿型)结构为RuC的基态结构[8]。 随后，赵等人研究了在压力下RuC的结构稳定性，预测在20Gpa时，从ZB型转变为WC型的一次相转变[9]。 这些工作非常重要，因为这些新结构的发现将极大地推进了我们对RuC的物理性质的理解。
鉴于我们最近用第一原理计算的OsC[10]，发现了一种斜方晶系的Pmn2结构，超过最大稳定区域0-80Gpa的压力也趋于稳定。这促进了人们对RuC 的Pmn2结构的研究，这是对OsC的化学模拟。在这里，我们列出了一个详细的关于RuC的ZB型，WC型和Pmn2结构在总能量、电子和弹性方面理的论研究。有趣的是，我们发现在优化期间的任意压力下，Pmn2结构会自动转换到I4mm四面体结构，最终稳定在9.3Gpa至26 GPa之间。因此在压力作用下，RuC的ZB型→I4mm→WC型的相序被发现。
计算方法 - 利用密度泛函理论（DGT）中的广义梯度近似（GGA），进行从头结构松弛[11],在 Vienna 从头仿真包中实现（ VASP ）[12]。采用全电子投影缀加波（ PAW ） [13]法，平面波的动能截止520eV。

　表1 ：RuC 的ZB型，WC型和I4mm结构在选定压力下的结构参数
结构类型
压力（G pa）
晶格参数(A)
体积
原子坐标
ZB型
0
a=4.602(4.545(a),4.566(b))
24.367
Ru 4a (0, 0, 0) 　
C　4c (1/4, 1/4, 1/4)
I4mm
0
a=2.854　
c =5.356
21.818
Ru 2a (0, 0, 0)
C 2a (0, 0, 0.628)
10
a =2 .829
c =5 .279
21.818
Ru 2a (0, 0, 0)
C 2a (0, 0, 0.626)
WC型
0

a=2.963(2.908(c),2.921(a))
c=2.701(2.822(c),2.672(a))
20.531
Ru 1a (0, 0, 0)
C 1 f (2/3, 1/3, 1/2)
30
a=2.875
c =2 .652
20.531

使用分辨率为2π × 0.03 的Monkhorst包布里渊区采样网格，导致总能量的收敛比1兆电子伏/原子更好 。采用密度比2π×0.02更密的网格，通过应力应变方法计算了弹性常数 [14]。声子色散曲线使用phonopy程序计算 [15]，这是一个基于超晶胞方法计算声子的开源软件包[16]。这种方法通过VASP代码优化超晶胞，使用费曼 - 海尔曼定理计算获得的能量。在所有三个阶段我们都使用3 ×3×3超晶胞（27RuC式的单元）。
结果和讨论 —经过充分几何优化，ZB型和WC型结构保持其最初的对称性，如图1。在ZB型结构中，每个的Ru（ C）原子键合有4 个C（ Ru）原子，常压下Ru- C键的长度是1.98。在WC型结构中，每个Ru（ C）原子被六个C（ Ru）原子包围，常压下有相对较长的Ru- C键，长度为2.179。 在表1中，B型和WC型相结构参数与现有的实验数据[ 6 ]以及早期的理论结果比较[8，9]，在2%的区间内发现一个很好的结论。
Pmn2型RuC的结构参数和原子位置子在特定压力下也完全优化。然而，我们惊奇地发现，Pmn2型的对称性会在优化期间发生变化。在OsC的Pmn2结构中[10]，每个Os原子与五个C原子相协调，形成扭曲的OsC金字塔。 在每个OsC金字塔中，四个底部Os-C键可以分为两种键长度略有不同的类型，如图1所示。在研究的所有压力中，一旦Os原子被Ru原子取代，四个底部的Ru-C键在优化时会自动变为平等。因此,标准的RuC金字塔(Ru-C键长为1.984和2.113×4)形成，Pmn2结构转换成一个更高对称性的空间群为I4mm的四方结构(图 1(d))。

图1 ：RuC的晶体结构，ZB型（a)，WC型(b)和I4mm结构(d)， OsC的Pmn2结构的结构变化为 I4mm(c)，大黑和蓝色的小圆球分别代表Ru（OS）和C原子
图2（a）列出了相对类似I4mm结构的ZB型和WC型结构的焓计算。一个观察明显显示，压力高于9.3Gpa时，成为I4mm结构比ZB型结构更加有利 ，I4mm结构稳定性达26GPa，高于这个压力，则被WC型结构取代。根据我们计算的焓的结果，RuC的ZB型→I4mm→WC型相序被发现，配位数依次从4到5再到6。
为了查清RuC在三个阶段的结构稳定性，计算了声子色散和弹性常数，如图2和表2所示。在高压力下，因为没有发现想象中的结果，ZB型和I4mm结构的声子谱不显示。结果表明，在所有研究的压力下，ZB型和I4mm的结构都是动态和机械稳定的，而WC型结构只在它的压力范围内是稳定的。这一结果表明，新预测的I4mm相一旦在高压下合成，可以恢复到室温状态，具有潜在的应用。

图2 ：最早提出ZB型和WC型结构相对我们预测I4mm结构作为压力的函数（a）（b）（d）–计算RuC 的ZB型，I4mm和WC型结构在室温下的声子色散关系，红色的线代表的WC型结构在30GPa的声子谱(d)
RuC的机械性能，如不可压缩性、弹性常数以及脆性是重要的潜在技术和工业应用。为了比较三个阶段的RuC的不可压缩性，体积的不可压缩性为a轴，c轴作为压力的函数，被绘制在图3中。研究发现，RuC的不可压缩性的顺序是WC型> I4mm > ZB型，也可以从表2中列出它们的体积模量推断出，316GPa时为WC型结构，286GPa时为I4mm结构，242GPa 时为ZB型结构。根据计算出I4mm中最大的C，WC型中的C，同时还发现，I4mm和WC型相结构分别沿a轴和c轴具有最高的不可压缩性，（图3）。令人惊讶的是，我们发现RuC的不可压缩性仅比金刚石稍低（图3），表明RuC是一种超压缩材料。此外，在RuC的所有三个结构中，我们观察到具有非常高的B /G值（体积/剪切模量比）。结果表明，高或低的B / G值通常与延展性或脆性有关，分离延性和脆性的临界值达1.75 [17]，因此,我们得出结论,RuC是一种塑性材料。

图3 ：计算RuC金刚石的体积不可压缩性（V/V0），插图显示沿a轴的不可压缩性（A / A0）和ｃ轴的（C/C0）
有趣的是检查电子性质和力学性能之间的关系(例如，体积弹性模量)。我们关于能带结构的计算（图４）表明，与ZB型相半导化相反，I4mm和WC型相是几个分散带穿过费米能级（EF）的金属。三个阶段的RuC的局部密度状态(DOS）对键属性的研究非常有意义。从图4可以看出,在所有三个阶段中，费米能级附近的Ru的d 轨道和 C 的p轨道有很强的杂化，强烈的杂化指出是共价键，并导致结合状态的分离。此外，电荷密度分布(图 5)清楚地揭示出三个阶段中Ru-C强大的定向共价键，这也解释了RuC的高体积弹性模量。

图4 ：计算 RuC的ZB型(a)，I4mm(b)，WC (c) 型结构的能带结构和态密度（DOS状态/eV/f）能量为零的水平线是费米能级

图5 ：RuC 的ZB型(a)， I4mm(b)和WC型结构(c)总电荷密度
表2 ：计算RUC的ZB型，I4mm和WC型结构的弹性常数C（GPA），体积模量B（GPA）和剪切模量G（GPA）和B／G比值
结构类型
C11
C33
C44
C66
C12
C13
B
G
B/G
ZB型
330

81

198

242
74
3.27
I4mm
516
427
63
75
212
182
286
85
3.36
WC型

396
700
76

307
199
316
66
4.79

结论 总之，除了先前提出的ZB型和WC型结构，我们又发现了的一种新的空间群为I4mm的结构，它的热力学稳定压力范围为9.3–26GPa。因此，RuC的ZB型→I4mm→WC型相图也因此被揭示。这个转变伴随着配位数由4至5然后至6的升高。直观地，这可能是在预期的压力下，显示出过渡重金属的强大连接性能。结果还表明，三个阶段的RuC，具有优良的机械性能，是重要的潜在技术和工业应用。
我们的资金支持来自江苏省批准号为 BK20130223的自然科学基金,中国国家自然科学基金委批准号为11204111,江苏高等教育机构的PAPD和江苏师范大学批准号为11xlr41的博士生导师的研究项目。

参考文献
[1] McMahon M. I. and Nelmes R. J., Chem. Soc. Rev., 35 (2006) 943.
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[5] Ono S., Kikegawa T. and Ohishi Y., Solid State Commun., 133 (2005) 55.
[6] Kempter C. P. and Nadler M. R., J. Chem. Phys., 33 (1960) 1580.
[7] Kempter C. P., J. Chem. Phys., 41 (1964) 1515.
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[9] Zhao E., Wang J. and Wu Z., J. Comput. Chem., 31 (2010) 2883.
[10] Li Y., Yue J., Liu X., Ma Y., Cui T. and Zou G., Phys. Lett. A, 374 (2010) 1880.
[11] Perdew J. P., Burke K. and Ernzerhof M., Phys. Rev. Lett., 77 (1996) 3865.
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[13] Bl¨ochl P. E., Phys. Rev. B, 50 (1994) 17953.
[14] Le Page Y. and Saxe P., Phys. Rev. B, 65 (2002) 104104.
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[16] Frank W., Els¨asser C. and F¨ahnle M., Phys. Rev. Lett., 74 (1995) 1791.
[17] Pugh S. F., Philos. Mag., 45 (1954) 823.

指导教师意见：

指导教师签字：
年 月 日
系(教研室)意见：

主任签字：
年 月 日
注：此表单独作为一页。

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