非金属掺杂二氧化铈的结构和力学性能的第一性原理研究

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二氧化铈作为稀土金属氧化物的代表,因具有硬度高、抗拉伸能力好、热稳定性好等优良特性,被广泛的应用。二氧化铈作为抛光粉材料反应较好,近年来越来越多的学者关注于此,以求找到在不影响抛光质量和抛光精度的前提下提高抛光效率,制备复合CeO2抛光磨料并研究其抛光性能的改变是许多研究者近年来一直钻研的工作。  本文采用基于密度泛函理论基础的第一性原理VASP软件包,对二氧化铈、非金属掺杂二氧化铈及二氧化铈(111)面的力学性能和电子结构进行研究。其主要研究内容和结果如下:  (1)建立CeO2晶体的结构模型,对其进行优化,在此基础上计算其力学常数,电子态密度,能带结构,并与实验值和他人结果比较,验证所建模型的准确性;由于 Ce含有4f电子轨道,对CeO2的计算需引用Hubbard U参数,即进行DFT+U与传统DFT方法的比较,得出DFT+U方法能更为准确的计算出CeO2的性质;  (2)在上述正确模型的基础上,对体系掺杂Si、P、B和F元素,将非金属元素分别尝试置换Ce位置、置换O位置和间隙在体内,通过比较结合能最终确定Si、P和B置换Ce,F原子置换O;并计算这四种掺杂体系的电子结构和力学常数,得出非金属掺杂增强体系轨道杂化作用,改变体系的韧性;  (3)建立CeO2(111)面的模型,在CeO2(111)表面的五个高对称位置尝试吸附Si、P、B和F,通过比较元素在五个位置的吸附能,找到最易发生吸附的位置,比较吸附前后粒子距离表面位置的变化,分析表面吸附粒子后对能带和态密度的影响。得出Si和P最易吸附在表面O顶位且偏向Ce桥位的位置,F最易吸附在O桥位,B易吸附在O顶位。
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