ThO2基态性质及高压行为的第一性原理研究

利用第一性原理密度泛函理论研究了ThO$_{2}$的力学性质、电子结构和声子色散，以及高达240 GPa的结构行为。我们计算的弹性常数表明，ThO$_{2}$的基态萤石结构和高压斜锆石结构均力学稳定。斜锆石ThO$_{2}$的体积模量、剪切模量和杨氏模量均比萤石ThO$_{2}$小约25%。两种结构的泊松比均约为0.3，萤石ThO$_{2}$的硬度为27.33 GPa。全面分析了萤石ThO$_{2}$的电子结构和成键性质，表明Th-O键呈现混合离子/共价特征。萤石ThO$_{2}$中Th和O离子的价态可表示为Th$^{3.834+}$和O$^{0.452-}$。计算得到从萤石到斜锆石结构的相变压力为26.5 GPa，与Idiri等人最近的实验测量一致。进一步预测斜锆石相在80至130 GPa压力区间内发生等结构相变。