铀氧化物氧化效应及二氧化铀中点缺陷高压高温行为的第一性原理研究
材料科学
2011-12-21 v1 强关联电子
计算物理
摘要
本文利用处理电子结构的 LSDA+U 方法和处理晶格振动的 Debye 模型，从头计算了高压高温条件下二氧化铀中点缺陷和氧簇的形成吉布斯自由能。研究发现，声子对 Frenkel 对的贡献显著，而对 Schottky 缺陷的贡献可忽略不计。静水压极大地改变了形成能，使得缺陷浓度对压力的依赖更为敏感。计算表明，若不考虑氧簇，在晶格振动的贡献下，铀空位在超化学计量的 UO2 中占据主导地位，而压缩则有利于氧缺陷并极大地抑制铀空位。然而，在环境压力下，该体系中氧缺陷占主导的实验观测结果只能以立方八面体簇的形式重现，这凸显了缺陷簇在 UO2+x 中的重要性。利用点缺陷模型，本文建立了一个非化学计量氧化物的状态方程，并将其应用于描述 UO2+x 的冲击 Hugoniot 曲线。此外，本文还研究了零开尔文下一氧化铀、八氧化三铀、三氧化铀以及一系列缺陷型 UO2 的氧化与压缩行为。分析了力学性质和电子结构随氧化程度增加的演化，揭示了由于 5f 轨道的强关联效应以及电子从铀原子向氧原子的转移，铀氧化物基态从金属向 Mott 绝缘体再向电荷转移绝缘体的转变。
引用
@article{arxiv.1111.4548,
title = {First-principles study on oxidation effects in uranium oxides and high-pressure high-temperature behavior of point defects in uranium dioxide},
author = {Hua Y. Geng and Hong X. Song and K. Jin and S. K. Xiang and Q. Wu},
journal= {arXiv preprint arXiv:1111.4548},
year = {2011}
}
备注
16 pages, 10 figures