المبدأ الأول هو في الواقع مصطلح فلسفي طرحه الفيلسوف اليوناني القديم أرسطو: هناك اقتراح أساسي في كل نظام لا يمكن انتهاكه أو حذفه ، والمبدأ الأول هو في الواقع مصطلح فلسفي طرحه الفيلسوف اليوناني القديم أرسطو: هناك اقتراح أساسي في كل نظام لا يمكن انتهاكه أو حذفه.
الشكل 1 أرسطو

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 1

في مجال علم المواد ، يشير المبدأ الأول إلى مبدأ النواة الذرية وتفاعل الإلكترون وقانون الحركة الأساسي الخاص به. باستخدام ميكانيكا الكم ، من المتطلبات المحددة ، بعد سلسلة من التقريبات ، يتم حل معادلة موجة شرودنجر مباشرة للحصول على البنية الإلكترونية. وبالتالي يتم الحصول على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للنظام بدقة ، ويتم التنبؤ بحالة وخصائص النظام المجهري. ومع ذلك ، فإن عملية الحل صعبة للغاية. لهذا السبب ، اقترح Born-Oppenheimer تقريبًا ثابتًا ثابتًا ، وهو النظر في المشكلة برمتها في حركة الإلكترونات والنواة. بالنظر إلى حركة النواة في الموضع الآني ، مع الأخذ في الاعتبار حركة النواة ، لا يؤخذ الإلكترون في الاعتبار. التوزيع المحدد للفضاء. بالنسبة لأنظمة الإلكترون N ، لا يزال الحل صعبًا للغاية ، لذلك يُقترح تقريب إلكترون واحد ، أي يتم أخذ إلكترون واحد فقط في الاعتبار ، ويتم التعامل مع الإلكترونات الأخرى بشكل مشابه لشكل من أشكال المجال المحتمل ، والذي يتم تحويله إلى واحد المشكلة الإلكترونية هي متوسط تقريب المجال [1 ، 2].
المبدأ الأول هو حل معادلة شرودنجر التي تصف قانون حركة الجسيمات المجهرية بحساب متسق ذاتيًا على أساس التقريب ثابت الحرارة وتقريب الإلكترون الفردي. يعد تقريب Hartree-Fock نوعًا من تقريب المجال المتوسط الذي يتجاهل التفاعل بين الإلكترونات ويعامل الإلكترونات كحركات في متوسط المجال المحتمل لمجال جهد الأيونات والإلكترونات الأخرى. التقريب يحد من دقة الحساب. في عام 1964 ، اقترح Hohenberg و Kohn نظرية الكثافة الوظيفية ، والتي تعبر بمهارة عن الإمكانات المرتبطة بالتبادل بين الإلكترونات كشكل من أشكال الكثافة الوظيفية ، بحيث يمكن تحديد خصائص المادة من كثافة الإلكترون. منذ ذلك الحين ، حصل كل من Kohn and Sham (Shen Lujiu) على معادلة الإلكترون المفرد في نظرية الكثافة الوظيفية ، وهي معادلة Kohn-Sham (KS) ، والتي تجعل نظرية الكثافة الوظيفية مطبقة عمليًا [3 ، 4]. تلخص هذه المقالة آخر تقدم في تطبيق المبادئ الأولى في الجوانب التالية:

حساب معلمات التركيب البلوري والتكوين

التركيب البلوري هو الأساس لفهم الخصائص الأساسية للمواد ، خاصة للكشف عن العلاقة بين البنية المجهرية للمواد والخصائص الجوهرية للمرونة والإلكترونات والفونونات والديناميكا الحرارية.
Leineweber and T. Hickel et al. استخدم الطريقة الشاملة لإجراء حساب DFT على الهياكل المحتملة لـ Fe4N و Fe4C ، مع الأخذ في الاعتبار ترتيب fcc لذرات Fe وموضع ذرات N / C على ثماني السطوح ، حيث يمكن لجزء من الهيكل أن يمر Bain. يصبح التشويه مستقرًا ، وتعرض ذرة C تسلسلًا من نوع Zener في bcc ، كما هو موضح في الشكل 2 ، وتكشف عن الاختلاف المميز لاتجاه التوجه للذرات الخلالية ، والذي يتوافق مع اختلاف البنية الأوستنيتي الملحوظ تجريبياً [5 ].
الشكل 2 fct (رباعي الزوايا الوجه) من ذرتين Fe (أزرق)

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 2

حساب استقرار طور السبيكة

تُستخدم طريقة الطاقة الإجمالية للمبادئ الأولى القائمة على الموجة المستوية ذات الإمكانات الفائقة لدراسة بنية الطور البلوري ، ويتم الحصول على الاستقرار الديناميكي الحراري للبنية المجهرية لأوامر التراص المختلفة ، بحيث يتم التنبؤ بالبنية الأكثر استقرارًا التي قد تكون موجودة أن يكون تصميمًا جديدًا وتطويرًا. وسيلة مهمة للمواد.
على سبيل المثال ، Zhilin Li و Chunyang Xia et al. أجرى دراسة أولية حول ثبات طور Cu2ZnSnS4 ، وهي مادة طبقة امتصاص الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ، استنادًا إلى نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ، باستخدام PBE في ظل التقريب المتدرج المعمم (GGA). تم حساب معلمات الشبكة والطاقة الكلية لنظام سبيكة Cu-Zn-Sn-S من خلال إمكانية الارتباط التبادلي ، وتم إنشاء نموذج الحساب وطاقة التوليد للمراحل المحتملة في سبيكة Cu-Zn-Sn-S. النتائج موضحة في الشكل 3 والجدول 1. كما هو موضح ، تقدم هذه الدراسة إرشادات لتصميم سبائك النحاس والزنك والسبائك للخلايا الشمسية المركبة ذات الأغشية الرقيقة. يمكن أيضًا توسيع النموذج وطريقة الحساب لتشمل التنبؤ باستقرار الطور لأنظمة السبائك الأخرى [6].
الشكل 3 نموذج بنية Superlattice لـ 64 عيوب استبدال ZnCu

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 3

الجدول 1 هيكل الشبكة الفائقة المحسن ونتائج حساب الطاقة الإجمالية

الجرد: التقدم المحرز في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 4

الهيكل الإلكتروني

بالنسبة للهياكل المستقرة ، يعد حساب توزيع كثافة الإلكترون المتكافئ للمواد أمرًا مهمًا لفهم درجة الترابط والتأين بين الذرات.
Benkabou و H.Rached et al. استخدم المبدأ الأول لحساب سبائك CoRhMnZ الرباعية (Z = Al و Ga و Ge و Si) Heusler (فئة من المركبات بين المعادن ، والتي يمكن وصفها بـ X2YZ أو XX0YZ ، حيث X و X0 و Y عنصر معدني انتقالي ، Z هو عنصر من المجموعة III أو IV أو V ، ويحتوي بشكل عام على عناصر غير مغناطيسية حديدية ، لكن المركب يعرض بنية إلكترونية مغنطيسية حديدية ، محسوبة باستخدام طريقة الموجة المستوية الخطية الكاملة المحتملة (FLAPW) وتقريب GGA-PBE. يوضح الشكل 4 نتائج حسابات كثافة الحالة للهياكل المقابلة ، مما يدل على أن هذه المركبات تظهر مغناطيسات حديدية شبه معدنية في حالات قليلة ، ومركبات CoRhMnGe و CoRhMnSi واللحظات المغناطيسية الخاصة بها تتوافق بشكل أساسي مع قانون سلاتر-بولينج ، مما يشير إلى شبه معدنية. الخصائص. استقطاب الدوران العالي ، بالإضافة إلى CoRhMnSi ، هذه المركبات مستقرة في بنية YI [7].
الشكل 3 الكثافة الإجمالية والكثافة المحلية لحالات CoRhMnZ (Z = Al و Ga و Ge و Si)

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 5

سونغ وآخرون. استخدم المبدأ الأول لدراسة التركيب الإلكتروني لفيلم TiN. كما هو مبين في الشكل 4 ، تمت محاكاة النطاق بواسطة برنامج Studio Studio (MS) ، وتم حساب الكثافة الإجمالية للحالات (DOS) ، ووظيفة العزل الكهربائي ، والامتصاص. وانعكاسية.
أظهرت النتائج أن طاقة Fermi (EF) تمر عبر نطاق الطاقة مع توزيع مستوى طاقة كثيف ، وتتقاطع الكثافة الإجمالية للحالات مع EF ، مما يشير إلى أن TiN يتم تحديده بواسطة الخصائص الإلكترونية لحالة Ti-3d ليكون لها خصائص فلزية [8 ].
الشكل 4 هيكل نطاق الطاقة لفيلم TiN (أ) ، الكثافة الكاملة (ب) والكثافة المحلية (ج)

الجرد: التقدم المحرز في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 6

حساب الخواص الميكانيكية

الثابت المرن Cij هو معلمة أساسية تصف الخصائص الميكانيكية للمواد. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالظواهر الصلبة الأساسية ، مثل الترابط بين الذرات ومعادلات الحالة وأطياف الفونون ، فضلاً عن الخصائص الديناميكية الحرارية مثل الحرارة النوعية والتمدد الحراري ودرجة حرارة ديباي ومعلمات جرونيزن. متعلق ب. من الناحية النظرية ، يوجد 21 ثابتًا مرنًا مستقلاً Cij ، لكن تناظر البلورة المكعبة يقلل هذه القيمة إلى 3 فقط (C11 و C12 و C44) ، ومعامل القص G ، ومعامل Young's E و Poisson مشتق من الثوابت المرنة. Ratio n ، ثم قم بتقدير درجة حرارة Debye من متوسط سرعة الصوت Vm:
حيث H هو ثابت بلانك ، KB هو ثابت بولتزمان ، Va هو الحجم الذري ، ويمكن تحديد V بواسطة سرعات الصوت الطولية والجانبية vl و vt التي تم الحصول عليها بواسطة معامل القص G ومعامل الحجم B في معادلة Navier. .
على سبيل المثال ، Shuo Huang et al. جمعت بين المبدأ الأول لتحديد المعلمات المرنة وقوة الشد المثالية لمرحلة المحلول المكعب الصلب المركب على جسم السبيكة FeCrCoMnAlx (0.6≤≤1.5) في الاتجاه [001]. النتائج موضحة في الشكل 5. ضمن النطاق التركيبي المدروس ، وجد أن بنية مخفية ذات طاقة أقل من الحالات المغناطيسية الحديدية والحالات المغناطيسية لهياكل fcc و hcp. استنادًا إلى درجة حرارة كوري النظرية ، من المتوقع أن تكون جميع السبائك مغنطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة ، ومن المتوقع أن تكون قوة الشد المثالية في الاتجاه [001] 7.7 جيجا باسكال بأقصى إجهاد يبلغ حوالي 9%. يمكن زيادة القوة عن طريق خفض تركيز Al. [9].
الشكل 5 ثابت مرن ، درجة حرارة Debye ومنحنى الإجهاد والانفعال لسبائك FeCrCoMnAlx عالية الانتروبيا

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 7

حساب خصائص السطح أو الواجهة

في الآونة الأخيرة ، يو لو وآخرون. استخدمت مادة Sn9Zn-1Al2O3-xCu لحشو اللحام بالنحاس المركب للنحاس 6061 سبيكة الألومنيوم ، ودرس تأثير إضافة عنصر النحاس وجزيئات Al2O3 على أداء اللحام بالنحاس. استنادًا إلى نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) و GGA-PBE ، تم إجراء حسابات المبادئ الأولى على البنية البينية والطاقة البينية وزاوية التلامس والخصائص الإلكترونية لـ Al2O3 / Sn9Zn. تظهر الحسابات أن Sn9Zn-1Al2O3-4.5Cu و Sn9Zn-1Al2O3-6Cu لهما بنية مستقرة ، والنتائج المقابلة موضحة في الشكلين 6 و 7 [10].
الشكل 6. طائرات كفاف ذات اختلافات مختلفة في كثافة الشحن للهياكل المختلفة: (a) Sn9Zn - 1Al2O3 , (b) Sn9Zn - 1Al2O3-4.5Cu

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 8

الشكل 7 كثافة الحالة المحلية للهياكل المختلفة: (a) Sn9Zn-1Al2O3 ، (ب) Sn9Zn-1Al2O3-4.5Cu

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 9

تطبيقات أخرى

على سبيل المثال ، Kulwinder Kaur et al. استخدمت نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ونظرية انتقال بولتزمان لدراسة الخواص الكهروحرارية عالية الحرارة لـ fcc HfRhSb. يوضح الشكلان 8 و 9 بنية نطاق الطاقة المحسوبة وكثافة الحالات ، بالإضافة إلى بعض المعلمات الفيزيائية. تبدأ نظرية خصائص الإرسال بحساب بنية النطاق ، ونظرية انتقال بولتزمان في النطاق الصلب وتقريب وقت الاسترخاء الثابت (RTA). يعد تقريب نطاق الأداء الصلب (RBA) أداة فعالة لدراسة العلاقة بين بنية النطاق والاستجابة الكهروحرارية [11].
الشكل 8 (أ) هيكل نطاق الطاقة (ب) كثافة الحالة المحلية الكاملة (ج) تشتت الفونون (د) فونون DOS

الجرد: التقدم في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 10

شكل 9 معامل سيبيك ، التوصيل ، التوصيل الحراري والكفاءة الكهروحرارية ZT كدالة لدرجة الحرارة

الجرد: التقدم المحرز في تطبيق المبادئ الأولى في علم المواد 11

المرجعي

1. Heisenberg W. إعادة تفسير نظرية الكم للعلاقات الحركية والميكانيكية [J]. Z فيز ، 1925 ، 33: 879
2.Schrodinger E ، Quantisierung als eigenwertproblem I [J]. آن دير فيز ، 1926 ، 9: 361
3. Hohenberg P، Kohn W. غاز إلكترون غير متجانس [J]. القس فيز ب ، 1964 ، 136 (3): 864
4.Kohn W، Sham L J. معادلات متسقة ذاتيًا بما في ذلك آثار التبادل والارتباط [J]. فيز ريف أ ، 1965 ، 140 (4): 1133
5.Leineweber ، T. Hickel ، B. Azimi-Manavi ، SB Maisel , الهياكل البلورية لـ Fe4C مقابل Fe4N التي تم تحليلها بواسطة حسابات DFT: تم استكشاف الهياكل الفوقية الخلالية المستندة إلى Fcc [J] ، Acta Materialia 140 (2017) 433-442
6.Zhilin Li و Chunyang Xia و Zhengping Zhang و Meiling Dou و Jing Ji و Ye Song و Jingjun Liu و Feng Wang , دراسة أولية حول استقرار طور الكستريت Cu2ZnSnS4 للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بتكوين غير متكافئ [J] , مجلة السبائك والمركبات 768 (2018) 644-651
7.بنكابو ، راشد ، عبد الله ، د. راشد ، ر. خناتة ، محمد الأحمر ، ب. عبيدري ، ن. بن خيتو ، س. بن عمران , التركيب الإلكتروني والخصائص المغناطيسية لسبائك Heusler الرباعية CoRhMnZ (Z = Al و Ga و Ge و Si) عبر حسابات المبدأ الأول [J] , مجلة السبائك والمركبات 647 (2015) 276-286
8.Huijin Song و Peng Gu و Xinghua Zhu و Qiang Yan و Dingyu Yang دراسة حول التركيب الإلكتروني والخصائص البصرية لأفلام TiN استنادًا إلى المبدأ الأول [J] , Physica B: Condensed Matter 545 (2018) 197-202
9.شو هوانغ ، شياو تشينغ لي ، هي هوانغ ، إريك هولمسترو ، ليفينتي فيتوس ، الأداء الميكانيكي لسبائك FeCrCoMnAlx عالية الانتروبيا من المبدأ الأول [J] ، كيمياء المواد والفيزياء 210 (2018) 37-42
10.Yu Lu و Le Ma و Shu-yong Li و Wei Zuo و Zhi-qiang Ji و Min Ding , تأثير إضافة عنصر النحاس على السلوك البيني والخصائص الميكانيكية لسبائك الألومنيوم Sn9Zn-1Al2O3 اللحام 6061: حسابات المبدأ الأول و البحث التجريبي [J] , مجلة السبائك والمركبات 765 (2018) 128-139
11.Kulwinder Kaur ، Ranjan Kumar ، DP Rai ، استجابة كهروحرارية واعدة لمركب HfRhSb نصف Heusler عند درجة حرارة عالية: دراسة أولية [J] ، مجلة السبائك والمركبات 763 (2018) 1018-1023

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *