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铜作为一种重要的过渡金属,其在常态下的物理性质及相图的研究已经很成熟。目前计算材料物理性质的方法主要有两种:第一性原理计算方法和分子动力学方法,而模拟计算首先要选取合适的势函数,目前针对铜在常态下的势函数,已经出现了许多形式,mishin的埋入势模型所计算的铜的晶体结构的各个参数与实验值符合较好,但在高压下则与实验上的结果存在很大的差异。并且目前实验上对Cu的高温高压极端条件下的物性的直接测量仍存在很大难度。在实验上高温高压的极端条件如地心条件(外核高压达到135~330GPa,内核高压达到330~360GPa),很难达到,因而其在高压下的物理性质只能靠模拟计算得到,选取高压下正确的势函数形式成为计算可靠性首先要解决的问题。
本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PW+PP)的第一性原理电子结构计算方法(VASP程序),以Y.Mishin等拟合的EAM模型作为Cu势函数的基本框架,对其高压下的部分进行修正。我们知道第一性原理电子结构计算是一种成熟有效地数值模拟方法,该方法在计算过程中不需要由实验提供参数,避开了势函数的选取问题,只要知道材料组成的元素便可通过自洽计算直接求解对应的薛定谔方程,求出其所有的物性,因而结果准确度较高,有参考价值。将第一性原理计算所得的结合能与原始Mishin势函数下的结合能做比较,高压部分的偏差全部归结到对势部分,再由晶格反演方法得到对势函数。从而得到修正后Cu的原子间相互作用势。并将新的势函数运用到计算晶格振动声子谱、能态密度和原子间相互作用力中去。得到如下结论:
1.Y.Mishin等拟合的Cu的EAM模型在常态下计算单晶的晶格常数、结合能、弹性系数等晶体性质是可靠的。随着压强的升高,晶格常数的减小,与第一性原理的计算的结合能的偏差越来越大,将此偏差乘以单位阶跃函数拟合到对势部分,使得在常态下修正值为零。得到新的势函数。并与原始Mishin势函数曲线做比较,可以看出在两者在常压下是重合的,在高压部分新的势函数要高于旧势,但趋势是一致的。
2.为了检验修正的势函数的合理性和有效性,我们计算了从0到50GPa10个不同高压下Cu的FCC结构的声子谱和能态密度。随着压强的升高,晶格常数的减小,声子频谱会增加。压强越高,两种势函数下的声子谱差别越大。并且在高频处偏差较大,但曲线的形状类似,说明了修正势函数是合理并有效的。