高压下氧化镁掺杂铁的第一性原理研究

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本论文采用第一性原理的方法,研究了地球下地幔含量丰富的铁方镁石(Mg1-xFex)O(以下简称(Mg,Fe)O)在高压下的相变。地球下地幔(660-2900 km)是地球最大的连续区域,约占整个地球一半的体积和质量。确定地球下地幔的化学成分和组织结构一直是地球科学中一个具有挑战性的课题。铁方镁石(Mg,Fe)O是下地幔的重要组成成分之一,因此确定铁方镁石在下地幔条件下的稳定性和相变压力对物质在高压下的相变行为及地球科学具有重要意义。论文主要内容分为以下几个部分:  (1)第一章首先对高压物理的发展历程做了一个简单的回顾,然后阐述了高压物理的基础知识,产生高压的实验装置,高压对材料物性的影响以及现代高压物理的研究现状,最后介绍本论文的研究内容和研究意义。  (2)第二章包括密度泛函理论、平面波赝势方法、自洽过程求解等基础知识的阐述,接着介绍了几种拟合物质状态方程的方法。最后是工作中使用的计算软件包的简介。  (3)第三章首先讨论了(Mg1-x,Fex)O(x=0.25,0.375)在B2结构下不同掺杂方式与体系总能的关系,研究发现掺杂的铁元素在(Mg,Fe)O中排布得越分散,体系的总能就越低,即铁元素趋向于处于一种分散的排布方式。接着计算了铁方镁石(Mg,Fe)O相变压力和铁含量之间的关系。结果发现(Mg,Fe)O的转变压力值随着铁元素的增加不是呈线性关系,而是呈震荡幅度逐渐减小的下降趋势。并给出了导致这种现象的一种解释,这种震荡是由铁元素的掺杂量和由铁元素掺杂方式而引起的对称性破缺的竞争关系导致的。最后的部分计算并讨论了MgO和(Mg0.75Fe0.25)O体系在436GPa下的电子结构的变化。结果显示掺杂的铁在铁方镁石(Mg,Fe)O的金属化中起了关键的作用。  (4)第四章对本论文进行了总结,提出进一步的研究计划,列举了已有的计算结果,如铁的低掺杂(x=0.25)和高掺杂(x=0.75)浓度下的(Mg,Fe)O的状态方程、弹性模量、横波与纵波的声速,之后对将来的研究做了展望。最后的附录部分是一些在计算中常用的shell脚本程序。
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