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稀土金属间化合物在永磁、磁致伸缩、储氢、超导等方面有着重要的应用和良好的发展前景,一直受到广泛的重视。但是由于它们结构复杂,直接采用第一原理计算进行系统研究是比较困难的,而有关的原子间相互作用势也难获得,致使此类材料的原子级模拟受到较大的限制。
本文基于简单虚拟结构的第一性原理计算,通过晶格反演获得了稀土、锕系金属间化合物中的原子间相互作用势,系统地研究了ThMn12型的铝基稀土和锕系金属间化合物(An,R)(T,Al)12,以及YbFe2Al10型的RT2Al10系列化合物,对其结构特征和热力学性质进行了原子级模拟。主要成果是:(1)首次使用晶格反演锕系、稀土原子间相互作用势,通过能量极小化方法,得到铝基稀土和锕系金属间化合物的稳定结构参数,结果和实验数据符合很好。(2)基于晶格反演势确定了第三组元在ThMn12型的铝基稀土和锕系金属间化合物中的择优占位。结果表明,在(An,R)Al12-xTx中,Cr,Fe,Mn,Cu的组分x小于等于4时,将择优占据8f晶位,x大于4时,则除4个占据8f晶位外,其余的占据8j晶位;对于YbFe2Al10型的RT2Al10化合物来说,第三组元Fe,Ru,Os将择优占据8d晶位。(3)根据获得的弛豫结构,利用晶格反演原子间相互作用势,首次计算了三元和四元合金体系的声子态密度,同时从原子尺度分析了不同晶位的原子对晶格振动的贡献。预测了这些化合物的比热、振动熵、德拜温度和爱因斯坦温度等热力学性质。比较和分析了第三组元对不同(An,R)(T,Al)12金属间化合物的影响,并进一步研究了相关材料性质随第三组元的含量以及稀土含量的变化。并分别从声学支和光学支得到了这些金属间化合物的德拜温度和爱因斯坦温度,对此类材料的晶格振动进行了较好的表征。
本文进行了晶格反演势的原子级系列模拟,预测了这一体系金属间化合物弛豫结构的静力学和热力学性质,为进一步探索新型稀土金属间化合物奠定了良好的基础。