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铍是一种碱土金属,位于元素周期表的第ⅡA族。铍在地球上比较稀少,在地壳中含量约为0.001%。金属铍对液体金属具有抗腐蚀性,经常被用作核反应堆的中子减速剂;由于铍的密度小、弹性模数高和热稳定性好,铍铜合金还被用于制造不发生火花的工具,如航空发动机的关键运动部件、精密仪器等。由于铍在地球上的储存量少,而且在核反应堆、航空等领域发挥着巨大的作用,所以我们必须对其进行有效合理的利用,而这就要求我们对其结构性质有较好的认识。
虽然Be的原子核外面只有四个电子,但是在理论上对其基本结构问题的研究还存在着较大的不足。常温常压下,Be最稳定的结构是六角密堆积相(hcp,空间群P63/MMC),该相在1530±10K时相变成体心立方相(bcc,空间群IM3M),直到1560K时融化为液体。然而,理论上至今为止依靠简谐近似或者准简谐近似(Quasiharmonic Approximation,QHA)进行的计算都未能对该问题给出合理的解释。科研人员普遍认为在上述低压高温条件下,bcc的非简谐效应对bcc的自由能的贡献较hcp的大,并最终导致了在1530K左右发生了α→β相变。
本质上,相变反应的是结构稳定性的变化,而结构稳定性包括热力学稳定性和动力学稳定性两方面。通常描述动力学稳定性常用的方法是简谐近似计算结构的声子谱。许多元素的bcc结构通过简谐近似计算得到的声子谱存在虚频,这样的结构通常被认为是不稳定的。实际上有许多元素和化合物的bcc结构在一定温度下声子谱是不存在虚频的,甚至热力学稳定性也较hcp结构要好。然而由于涉及到非简谐项的贡献,该矛盾长期以来没有得到很好的处理。针对这个问题,P.souvtzis发明了自洽从头分子动力学(SEAILD),该方法通过在能量计算中引入非简谐项,对许多材料的处理都收到了很好的修正效果。在本论文中,我们利用该方法处理了铍的相变问题,得到了高温下不存在虚频的bcc声子谱,在此基础上我们引入了准简谐近似(QHA)并尝试Wallace内禀非简谐修正,最终得到了与实验定性相符的结论。