金屬釩塊體中和表面上雜質原子的占位與擴散特性研究.pdf

1、釩基合金具有良好的低活化特性和耐高溫特性等優點,可應用于未來核聚變堆中第一壁結構材料。在高能輻照下,第一壁材料內部會產生大量的空位和自間隙等本征缺陷,聚變反應的反應物H和嬗變產物He等元素也會進入第一壁材料之中。在釩合金在制造過程中,微量元素(如C、N和O等)也會滲入到這些材料之中。這些缺陷和雜質會誘使這些材料發生脆化從而縮短了使用壽命。本文應用第一性原理方法研究了金屬釩塊體中本征缺陷的穩定性、上述五種雜質原子在金屬釩塊體及表面上的占位

2、和擴散行為。
　　(1)從能量的角度研究了釩塊體中十種典型本征缺陷的占位構型及其穩定性。金屬釩中的單空位構型的形成能最低,體系最穩定;<111>方向dumbbell自間隙構型的形成能僅高于單空位構型的情況,則是第二穩定的構型;而三種雙空位構型的形成能都比較高,其中<110>方向的雙空位構型的形成能為4.84eV,是最不穩定的構型。
　　(2)從形成能、電荷密度、態密度和Bader電荷等四個方面研究了單個H、He、C、N和O原

3、子在金屬釩塊體中三種不同占位下的穩定性機制。雜質與金屬釩構成的總體系的形成能越低,雜質原子與最近鄰釩原子之間的價電荷密度越高、雜質原子與最近鄰釩原子的價態密度重疊現象越明顯、雜質原子的總態密度在費米能級處的值越低以及雜質原子的Bader電荷值也越低,該體系就越穩定。所以,H和He在四面體間隙位置穩定,C、N和O在八面體間隙位置最穩定。此外,本文利用CINEB方法研究了這些雜質原子在金屬釩塊體中的擴散,結果表明H和He比C、N和O更容易在

4、金屬釩中擴散,其中H的擴散系數最大而N的最小。
　　(3)從形成能、態密度以及Bader電荷等三個角度研究了單個雜質原子在金屬釩表面上的擇優占位,并結合CINEB方法研究了這些雜質在金屬釩表面上及次表面間的擴散行為。閉殼層結構的He經弛豫后進入真空層。H、C、N和O在金屬釩表面上的hollow位最穩定,H沿hollow-bridge-hollow路徑的擴散勢壘最低。TIS1是表面與次表面的中間位置,H、C、N和O在弛豫后的TIS1