Al3Sc态密度的第一原理计算

何君琦 于力刚 路洪艳 王玮 王杰 王亮

摘 要：应用赝势平面波方法，利用第一性原理CASTEP软件，采用超软赝势和广义梯度近似（GGA）计算Al3Sc的晶格常数及态密度.研究表明，Al3Sc的成键在费米能附近主要由Al原子的p轨道电子与Sc原子的d轨道电子杂化而成，费米能级以上是由Sc-Sc共价键和Al-Sc杂化键贡献的;费米面处的电子态密度很小，共价键增强，有很好的区域稳定性;在费米能级两侧，Al3Sc体现很强的共价性.

关键词：Al3Sc;第一性原理;晶格常数;态密度

[中图分类号]O469   [文献标志码]A

Abstract：The method of the paper is the plane-wave pseudo-potential， which is based on the density functional theory. Ultra-soft pseudo-potential（USPP） and generalized gradient approximation（GGA） were used to calculate the lattice constant and analyze the density of state Al3Sc by CASTEP software based on the first-principle theory， the results show that，near by the Fermi energy， the bonds of Al3Sc are mainly mixed by electrons of Al p and electrons of Sc d; Over the Fermi energy， those bonds are mainly contributed by covalent bond of Sc-Sc and hybrid bond of Al-Sc; the electrons on the Fermi energy which have low density of state and high covalent bond， show good regional stability; on either side of Fermi energy， Al3Sc reflect high covalent.

Key words：Al3Sc; First-principles; lattice constant; density of states

Al3Sc具有强度高、抗冲击性能和抗腐蚀性能好、易加工、熔点高等优点，在航空航天等领域将有广泛的应用.[1-3]Cacciamani G等采用CALPHAD方法计算Al-Sc的热力学性质.[4]苏振兴利用第一性原理研究了Al-Sc合金的相结构.[5]路贵民以Miedemma二元合金生成热模型为基础计算了1 773 K时Al-Sc合金中的活度以及部分热力学.[6]第一性原理方法被广泛应用于材料的微观结构理论计算中[7-8]，本文采用第一性原理方法，用态密度和分波态密度分析Al3Sc合金材料，研究其结构与性质，从微观层面揭示Al3Sc的性质，为研究Al3Sc等相关材料提供理论依据与实验指导，使这种材料在工业领域得到更广泛的应用.

2 态密度分析

运用CASTEP软件对Al3Sc化合物的态密度与分波态密度进行第一性原理计算，计算结果见图2.Al3Sc态密度的特征是-30～-25 eV有个尖峰，这个尖峰由Sc原子p轨道电子贡献的.本文在研究Al3Sc的态密度时，只考虑在费米能（EF）附近态密度变化的情况，所以使费米能（EF）移到零点，标记见图2.

（1）由图2（a）和（b）可知，在费米面周围，Al原子的p轨道电子与Sc原子的d轨道电子的态密度出现共振现象，可知两者之间产生很强的相互作用，说明Al3Sc的成键在费米能（EF）周围主要是由Al原子的p轨道电子与Sc原子的d轨道电子杂化而成.

（2）由图2（c）可知，Al3Sc中的Al原子和Sc原子在费米能处的态密度都不为零，态密度两侧都有兩个尖峰，说明存在赝能隙，体现共价键特性.由于费米能级两侧的赝能隙（尖峰间距）很大，说明体现着很强的Sc-Sc和Al-Al的共价性.

（3）如图2（c）所示，体系中在-9～-4.5 eV范围出现Al-Al 共价键，在费米面以上是由Sc-Sc和Al-Sc键贡献的由于EF偏靠反键峰一侧，而且几乎位于尖峰间距底部，说明此处的电子态密度非常小，由此可知Al3Sc模型的共价键增强，局域相应的稳定性很好.

3 结论

采用第一性原理方法，利用CASTEP软件，计算Al3Sc的晶格常数，计算值与实验值相差1.48%，说明计算值与实验值结果符合良好.进一步计算Al3Sc的态密度，得出以下结论：Al3Sc的成键在费米能（EF）附近主要是由Al原子的p轨道电子与Sc原子的d轨道电子杂化而成;在-9～-4.5 eV范围出现Al-Al共价键，在费米能级以上是由Sc-Sc和Al-Sc键贡献的;EF偏于靠反键峰一侧，而且几乎是位于尖峰间隔底部，说明此处的电子态密度非常小，共价键增强了，局域相应的稳定性很好;在费米能级两侧的尖峰间隔很大，体现很强的共价性.

参考文献

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