当今,能源问题成为制约各国实现经济增长和社会长远发展战略目标的重要因素之一。用氢的同位素氘(D)和氚(T)产生热核聚变被认为是能够长期解决人类能源问题的最有效方法,其中惯性约束聚变(ICF)有望在未来率先实现聚变电站发电。作为ICF核心装置的氢同位素分子晶体(以下简称为氢晶体)冷冻靶,其均匀性和表面光滑程度对聚变反应中靶的表现非常关键。因此,充分搞清楚氢分子晶体的生长机理及其各种性质,特别是冷冻靶包壳材料铍(Be)、铜(Cu)等金属表面结构对氢分子晶体形核和生长的影响,对于实验室制备性能优良的冷冻靶具有重要的科学和现实意义。本文采用第一性原理方法,利用VASP程序,研究了氢分子晶体中缺陷的性质、氢分子在Be(0001)和Cu(111)表面的吸附与解离现象;然后在此基础上采用分子动力学方法,利用MOLDY程序,修正了铍-氢分子体系的相互作用势,研究了氢分子晶体在Be(0001)表面的形核和生长机制。主要研究内容和结论如下:1.采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了氢分子晶体中空位缺陷和自间隙缺陷的形成能及其稳定结构。计算结果表明在无序hcp结构的氢分子晶体中,空位形成能依赖于晶体中的氢分子轴向分布情况,但是在Pa3型fcc结构的氢晶体中,空位形成能基本和氢分子轴向分布无关。对于自间隙缺陷,氢分子在hcp结构的氢晶体中倾向于占据基面八面体间隙,且间隙氢分子的形成能与间隙位的体积和其近邻的晶格氢分子的轴向分布密切相关。有些情况下,间隙氢分子引起的强大力场会使整个氢晶体中的氢分子轴向发生转动,并极大的降低了间隙氢分子的形成能。而在Pa3结构氢晶体中,间隙氢分子倾向于占据八面体间隙,间隙分子的缺陷形成能与分子的轴向分布也相关,但远没有无序hcp氢晶体中那么明显,说明Pa3氢晶体中的间隙氢分子的轴向对其稳定性的影响较小。2.采用CI-NEB方法对氢晶体中空位和间隙氢分子的迁移扩散行为进行了分析。在hcp结构氢晶体中,选择了五种不同相邻位置的空位迁移路径进行了计算,结果表明每条迁移路径的迁移能具有相似性,平均空位迁移能垒大约为13.5 meV。对Pa3氢晶体中空位的迁移也选择了最近邻的几种情况进行了计算,结果发现Pa3型晶体中各种空位迁移的行为基本是一样的,空位的平均迁移能垒大约是19 meV。对于间隙氢分子的迁移,在Pa3氢晶体中,间隙氢分子从八面体间隙经过中间一个四面体间隙跃迁到八面体间隙(O-T-O)或者是从八面体间隙直接到八面体间隙(O-O)的迁移路径都是可能的,且迁移过程中氢分子的轴向转动会增加迁移的能垒。而在无序hcp结构氢晶体中,在两个相邻的bo位之间,沿着基平面经过一个基面四面体的迁移(bo1-bt-bo2)是间隙氢分子最倾向的迁移方式。然而无论是在hcp还是fcc氢晶体中,相比较于空位的迁移能垒,间隙氢分子的迁移能垒高出很多。3.采用第一性原理方法研究了氢分子与be(0001)表面的相互作用,详细讨论了氢分子垂直和平行放置在be(0001)表面高对称位置(bri、fcc、hcp、top)的吸附和解离规律。计算结果表明氢分子在be(0001)表面的吸附属于相互作用较弱的物理吸附,而解离后的氢原子在be(0001)表面会形成相互作用较强的化学吸附。氢分子是否解离取决于氢分子初始放置位置距离be(0001)表面的高度和氢分子的轴向分布。氢分子垂直放置在be(0001)表面不同高对称位时解离临界距离在0.6-0.8?,远小于氢分子平行放置的时候,大约在1.2-1.5?之间。然而值得注意的是,氢分子沿着[1120]晶向平行放置在be(0001)表面的时候,在距离表面0-4.0?的范围内,氢分子都不会发生解离。氢分子解离后的稳定吸附结构和解离能垒的大小与氢分子的初始构型和吸附位置有关。4.考虑到实际情况下be(0001)表面并非完美,研究了be(0001)表面存在空位缺陷的氢分子吸附和解离行为。结果发现be(0001)表面空位缺陷的存在,破坏了完美be(0001)表面的高对称性,对氢分子的吸附行为产生了较大的影响,氢分子的吸附能和稳定结构参数都不同程度的发生了改变,特别是稳定吸附后的氢分子轴向明显出现了较大偏转,除了氢分子垂直吸附在顶位的时候。同时,空位缺陷加强了氢分子和表面的相互作用,导致氢分子的解离能垒降低,大大促进了氢分子在be(0001)表面的解离。另外,采用在3×3超晶胞单元be(0001)表面上同时垂直放置四个氢分子,初步探索了高覆盖度下氢分子吸附结构的倾向性选择问题,发现大量氢分子在be(0001)表面吸附的时候,倾向于优先占据离表面较近的高对称位置,然后垂直表面向上生长。5.采用dft研究了氢分子在cu(111)表面的吸附和解离现象。计算结果表明氢分子垂直于cu(111)表面放置时,在距离表面0.37-4.0?范围内,氢分子与cu(111)表面相互作用后不会发生解离,均在cu(111)表面形成相互作用较弱的物理吸附。但是氢分子平行于cu(111)表面放置时,氢分子是否解离与氢分子距表面的初始距离和其初始放置构型有关。氢分子在桥位(bri)并沿]112[方向平行靠近cu(111)表面时,氢分子解离的临界距离约为1.35?,其他情况下在0.65-0.85?之间,且解离后的氢原子化学吸附于cu(111)表面的hcp位或fcc位,并形成了三种不同的稳定组合构型(hcp+hcp、fcc+fcc、hcp+fcc)。不同初始吸附构型的解离能垒也是不同的,氢分子沿]101[方向平行放置的时候,top位解离能垒最高,次之的是fcc和hcp位;氢分子沿]112[方向平行放置的时候,解离能垒从高到低依次是fcc位、hcp位和bri位。最后,研究了氢分子与存在空位缺陷的Cu(111)表面的相互作用,发现空位缺陷对Cu(111)表面氢分子吸附的影响与Be(0001)表面是相似的。6.考虑到已有的各向同性的氢分子间的相互作用势对于经典分子动力学的缺陷,对各向同性氢分子间的相互作用进行了修正,提出了适合于经典分子动力学的氢分子间的相互作用表达式,并采用最小二乘法和分子动力学方法拟合了相应参数。修正后的氢分子相互作用对于0 K下的fcc和hcp结构氢晶体的压强和体弹模量随体积的变化关系都与实验值和量子力学计算值吻合得较好。同时,在平衡态下的晶格体积和单个分子的内聚能都与实验值非常靠近。此外还测试了两种晶体结构中的缺陷形成能,并与DFT的计算结果对比。7.采用提出的氢分子间的相互作用修正势和文献里的Be-H体系的相互作用势,模拟了Be(0001)表面上不同浓度的氢分子在不同基底温度下的行为。分析了基底温度和氢分子浓度对氢晶体形核和生长的影响,发现随着模拟时间的增加,氢分子在Be(0001)表面上方形成了晶核。当氢分子个数增加到300个时,对于0.5 K的基底温度下,形成了明显的hcp结构的氢晶核,而且得到了与实验相符合的规律,即氢晶体先沿着垂直于C轴(即平行于Be表面)的方向生长,然后沿着C轴方向生长。模拟结果显示氢晶体的形核与生长可能与氢分子的浓度、重力和基底温度密切相关。