高压下SiO2的第一性原理计算

郝军华 吴志强 王铮 金庆华 李宝会 丁大同

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高压下SiO2的第一性原理计算

    通讯作者: 郝军华; 

First Principles Calculation of SiO2 at High Pressures

    Corresponding author: HAO Jun-Hua
  • 摘要: 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用Hartree-Fork(HF)方法,分别计算了SiO2的-石英结构、金红石结构以及氯化钙结构的总能量随体积的变化关系。利用Murnaghan状态方程,通过能量和体积拟合,得到了3种结构的体变模量及其对压强的一阶导数。计算结果表明,随着压强的增加,SiO2会从-石英结构转变为金红石结构,与实验结果和其它理论结果一致;金红石结构与氯化钙结构之间不存在相变,可以共存。此外,对具有-石英结构的SiO2的晶格常数、电子态密度和带隙随压强的变化关系进行了计算和分析,结果表明:加压作用下,能带向高能方向移动,Si─O键缩短,电子数转移增加,带隙展宽,电荷发生重新分布。
  • [1] Kingma K J, Cohen R E, Hemley R J, et al. Transformation of Stishovite to a Denser Phase at Lower-Mantle Pressures [J]. Nature, 1995, 374(6519): 243-245.
    [2] Tsuchida Y, Yagi T. New Pressure-Induced Transformations of Silica at Room Temperature [J]. Nature, 1990, 347: 267-269.
    [3] Belonoshko A B, Dubrovinsky L S, Dubrovinsky N A. A New High-Pressure Silica Phase Obtained by Molecular Dynamics [J]. Am Mineral, 1996, 81: 785-788.
    [4] Dubrovinsky L S, Saxena S K, Lazor P, et al. Experimental and Theoretical Identification of a New High-Pressure Phase of Silica [J]. Nature, 1997, 388(6640): 362-365.
    [5] Liu L G, Bassett W A, Sharry J. New High-Pressure Modifications of GeO2 and SiO2 [J]. J Geophys Res, 1978, 83: 2301-2305.
    [6] German V N, Podurets M A, Trunin R F. Synthesis of a High-Density Phase of Silicon Dioxide in Shock Waves [J]. Sov Phys JETP, 1973, 37: 107-108.
    [7] Levien L, Prewitt C T, Weidner D J. Structure and Elastic Properties of Quartz at Pressure [J]. Am Mineral, 1980, 65(9-10): 920-930.
    [8] Tsuchida Y, Yagi T. A New, Post-Stishovite High-Pressure Polymorph of Silica [J]. Nature, 1989, 340: 217-220.
    [9] Teter D M, Hemley R J, Kresse G, et al. High Pressure Polymorphism in Silica [J]. Phys Rev Lett, 1998, 80(10): 2145-2148.
    [10] Nada R, Nicholas J B, McCarthy M I, et al. Basis Sets for ab Initio Periodic-Fock Studies of Zeolite/Adsorbate Interactions: He, Ne, and Ar in Silica Sodalite [J]. Int J Quantum Chem, 1996, 60(4): 809-820.
    [11] Corno M, Busco C, Civalleri B, et al. Periodic ab Initio Study of Structural and Vibrational Features of Hexagonal Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 [J]. Phys Chem Chem Phys, 2006, 8(21): 2464-2472.
    [12] Jaffe J E, Pandey R, Seel M J. Ab Initio High-Pressure Structural and Electronic Properties of ZnS [J]. Phys Rev B, 1993, 47(11): 6299-6303.
    [13] Orlando R, Dovesi R, Roetti C, et al. Ab Initio Hartree-Fock Calculations for Periodic Compounds: Application to Semiconductors [J]. J Phys: Condens Matter, 1990, 2(38): 7769-7789.
    [14] Murnaghan F D. The Compressibility of Media under Extreme Pressures [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1944, 30(9): 244-247.
    [15] Jaffe J E, Hess A C. Hartree-Fock Study of Phase Changes in ZnO at High Pressure [J]. Phys Rev B, 1993, 48(11): 7903-7909.
    [16] Keskar N R, Chelikowsky J R. Structural Properties of Nine Silica Polymorphs [J]. Phys Rev B, 1992, 46(1): 1-13.
    [17] Stishov S M, Popova S V. A New Dense Modification of Silica [J]. Geokhimiya, 1961, 10: 837-839.
    [18] Lityagina L M, Dyuzheva T I, Nikolaev N A, et al. Hydrothermal Crystal Growth of Stishovite (SiO2) [J]. J Cryst Growth, 2001, 222(3): 627-629.
    [19] Karki B B, Warren M C, Stixrude L, et al. Ab Initio Studies of High-Pressure Structural Transformations in Silica [J]. Phys Rev B, 1997, 55(6): 3465-3471.
    [20] Maj S. Energy Gap and Density in SiO2 Polymorphs [J]. Phys Chem Miner, 1988, 15(3): 271-273.
    [21] Nitsan U, Shankland T J. Optical Energy Gap in Silicates [J]. EOS, 1976, 57(3): 160.
  • [1] 丁迎春刘海军蒋孟衡陈敏陈勇明 . 高压下BeP2N4结构相变和电子结构的第一性原理计算. 高压物理学报, 2012, 26(6): 674-680. doi: 10.11858/gywlxb.2012.06.012
    [2] 刘玉孝伍丽莎齐云姚勇 . ZnSe高压相变和声子谱的第一性原理研究. 高压物理学报, 2017, 31(2): 97-102. doi: 10.11858/gywlxb.2017.02.001
    [3] 李胜旨刘锦超杨向东蒋德琼 . Al、N共掺杂实现p-型ZnS的第一性原理研究. 高压物理学报, 2011, 25(6): 519-525. doi: 10.11858/gywlxb.2011.06.007
    [4] 韩林马麦宁徐志双周晓亚 . 辉石结构与相变的第一性原理研究. 高压物理学报, 2017, 31(2): 125-134. doi: 10.11858/gywlxb.2017.02.004
    [5] 刘克伟于杰周晓龙胡明钰占建翔 . 高压下P42/mnmPnnm晶体结构SnO2密度泛函研究. 高压物理学报, 2017, 31(1): 81-88. doi: 10.11858/gywlxb.2017.01.012
    [6] 刘思远缪宇马雪姣李鑫高文泉程宇衡刘艳辉 . 基于第一性原理计算IrSb压力相变. 高压物理学报, 2019, 33(5): 052203-1-052203-7. doi: 10.11858/gywlxb.20190716
    [7] 张芳沛程新路刘子江胡栋刘永刚 . 硝酸丙酯键离解能和热解机理的密度泛函理论研究. 高压物理学报, 2005, 19(2): 189-192 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.02.016
    [8] 谭心贾亦超刘学杰 . 外压下ZrN结构相变的第一性原理研究. 高压物理学报, 2014, 28(2): 168-174. doi: 10.11858/gywlxb.2014.02.006
    [9] 王希成郭建云郑广何开华陈琦丽王清波陈敬中 . 高压下闪锌矿InN光电性质的密度泛函研究. 高压物理学报, 2012, 26(6): 653-660. doi: 10.11858/gywlxb.2012.06.009
    [10] 缪宇刘思远马雪姣金哲学 . 高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究. 高压物理学报, 2020, 34(1): 011102-1-011102-8. doi: 10.11858/gywlxb.20190818
    [11] 侯永张栋文袁建民 . 第一原理对铝的静态结构和相变的计算. 高压物理学报, 2005, 19(4): 377-380 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.04.017
    [12] 张砚宇杜金梅袁万宗 . 低密度PZT-95/5陶瓷流体静压相变实验研究. 高压物理学报, 2002, 16(4): 291-296 . doi: 10.11858/gywlxb.2002.04.009
    [13] 杨晓翠赵玉伟高忠明刘鑫张立新王晓明郝爱民 . 高压下CaF2结构相变和光学性质的第一性原理计算. 高压物理学报, 2010, 24(3): 225-230 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.03.011
    [14] 李胜旨刘锦超杨向东郭艳锋许海全 . Mn、Fe掺杂ZnS的第一性原理计算. 高压物理学报, 2010, 24(6): 449-454 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.06.008
    [15] 杨龙星刘雷刘红易丽顾小雨 . 高压下石榴子石结构和弹性的第一性原理研究. 高压物理学报, 2019, 33(6): 060104-1-060104-11. doi: 10.11858/gywlxb.20190785
    [16] 孙磊罗坤刘兵韩俏怡王小雨梁子太赵智胜 . 金属性硅同素异形体的第一性原理研究. 高压物理学报, 2019, 33(2): 020103-1-020103-8. doi: 10.11858/gywlxb.20190705
    [17] 吴潇马阳阳杨述何开华姬广富 . FeO2与FeO2He晶格热导率与声速特征的第一性原理研究. 高压物理学报, 2021, 35(3): 032201-1-032201-7. doi: 10.11858/gywlxb.20200659
    [18] 温新竹彭玉颜刘明真 . 钙钛矿结构ZrBeO3稳定性的第一性原理研究. 高压物理学报, 2020, 34(1): 011202-1-011202-9. doi: 10.11858/gywlxb.20190802
    [19] 王怀玉章立源刘福绥王恩哥 . 高压下高温超导材料YBa2Cu3O7的电子结构. 高压物理学报, 1990, 4(3): 194-203 . doi: 10.11858/gywlxb.1990.03.005
    [20] 郝学军章立源王怀玉 . 高压对高温超导体La1.85Sr0.15CuO4电子结构的影响. 高压物理学报, 1994, 8(1): 1-8 . doi: 10.11858/gywlxb.1994.01.001
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出版历程
  • 收稿日期:  2009-06-23
  • 录用日期:  2009-09-02
  • 刊出日期:  2010-08-15

高压下SiO2的第一性原理计算

    通讯作者: 郝军华; 
  • 1. 南开大学物理科学学院,天津 300071

摘要: 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,采用Hartree-Fork(HF)方法,分别计算了SiO2的-石英结构、金红石结构以及氯化钙结构的总能量随体积的变化关系。利用Murnaghan状态方程,通过能量和体积拟合,得到了3种结构的体变模量及其对压强的一阶导数。计算结果表明,随着压强的增加,SiO2会从-石英结构转变为金红石结构,与实验结果和其它理论结果一致;金红石结构与氯化钙结构之间不存在相变,可以共存。此外,对具有-石英结构的SiO2的晶格常数、电子态密度和带隙随压强的变化关系进行了计算和分析,结果表明:加压作用下,能带向高能方向移动,Si─O键缩短,电子数转移增加,带隙展宽,电荷发生重新分布。

English Abstract

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