CN115565631B - 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 - Google Patents
一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115565631B CN115565631B CN202211326088.7A CN202211326088A CN115565631B CN 115565631 B CN115565631 B CN 115565631B CN 202211326088 A CN202211326088 A CN 202211326088A CN 115565631 B CN115565631 B CN 115565631B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- copper
- diffusion
- energy
- oxidation resistance
- oxygen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 113
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 86
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 83
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000005275 alloying Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 title claims abstract description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 87
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 38
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 29
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 29
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 21
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 15
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 8
- 230000009194 climbing Effects 0.000 claims description 5
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 claims 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 3
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 abstract description 2
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 18
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N silver oxide Chemical compound [O-2].[Ag+].[Ag+] NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910001923 silver oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/30—Prediction of properties of chemical compounds, compositions or mixtures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，涉及一种改善铜抗氧化性的方法。本发明是要解决目前铜电接触材料中铜抗氧化性较差的技术问题。本发明提出采用第一性原理计算，可从原子尺度、基于元素特性和晶体结构，计算铜氧化的基本过程，界面的结合强度，并对元素间的布居，电荷转移等进行定量分析，从而获得合金元素掺杂改善铜氧化的机理。金属铜易与氧结合形成氧化物，而当合金元素掺杂时会优先与氧成键，从而形成更强的氧化物，阻碍了铜与氧的结合，最终提高铜的抗氧化性。铜合金抗氧化性的关键是表明添加合金元素优先形成氧化物。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善铜抗氧化性的方法。
背景技术
低压电器接触元件多采用粉末冶金方法制造的银氧化物电接触材料。由于低压电器接触材料使用环境的复杂性，有必要综合考虑其物理性能、机械性能、热力学性能、化学性能等因素。虽然银基触头材料广泛应用于低压电器中，但其成本高、环保性差，限制了其广泛应用。因此，铜以其良好的导电性和导热性以及低廉的价格成为取代银基的最佳接触材料。然而，铜的主要缺点是它在空气中的抗氧化性差。铜基材料在电弧作用下很容易氧化铜基触头，从而在触头表面形成高电阻氧化层，导致接触电阻增加，可能会因铜的加速氧化而导致器件失效。因此，如何抑制铜的氧化是需要解决的关键问题。合金化工艺是提高铜抗氧化性能的基本途径。如镧(La)、铈(Ce)和钇(Y)，其氧化物可以提高铜合金、镁合金和其他合金的抗氧化性合金。此外，一些特殊的处理技术，如水热法可以实现铜表面的晶格重建，合金化后的退火处理也可以提高铜的抗氧化性。然而，由于上述研究的烧蚀条件不统一，不同元素合金化对铜的抗氧化性及电接触性能的掺杂效应并未系统研究。
第一性原理计算被广泛用于从原子尺度解释材料特性的形成机理，以及预测材料的物理化学特性。其次，相比于实验研究，一方面，第一性原理计算有更高的效率；另一方面，第一性原理计算可避免实验中各种不可控的实验变量，获得准确的性能规律。
发明内容
本发明是要解决目前铜电接触材料中铜抗氧化性较差的技术问题，而提供一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法。
本发明的基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法是按以下步骤进行的：
一、利用Materials Studio(MS)软件的CASTEP模块，采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理对铜晶体单胞进行几何优化，获得总能量最稳定的铜晶体单胞，几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
二、建立不同元素掺杂的铜/氧界面模型：将步骤一优化后的铜晶体单胞进行扩列3×3×1构建超胞模型，随后用不同的元素M替换中心的Cu原子，然后切取能量最低的晶面(110)晶面并加入
的真空层，保证计算模型不受周期性的影响；然后构建氧分子与(110)晶面的界面模型，将氧分子置于不同的位置，构建不同的Cu/O2界面模型；
三、计算不同元素掺杂的Cu/O2的吸附能：将步骤二中所有Cu/O2界面模型调整到对应的平衡间距后，再进行几何优化；按照氧化的三个先后顺序阶段，依次进行吸附，再界面扩散，最后晶格内扩散的研究；
四、吸附阶段：根据下方公式计算吸附能Ead，吸附能越大对氧的吸附越好，则其氧化性越好，抗氧化性越差，所以选择吸附能最低的；吸附能Ead计算公式如下：
其中，
是指步骤三几何优化后表面总能量与O2分子模型；Esurface表示步骤三几何优化后界面模型的能量；/>
代表步骤三几何优化后O2分子的能量；几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
五、界面扩散阶段：计算不同元素掺杂的Cu/O2界面模型的扩散系数：通过局部密度泛函理论的MD计算，不同元素的扩散系数在MS分子模拟软件(DMol3)中实现；采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，考虑数量、体积和温度(NVT)，扩散温度由Nos′e方法来控制；在一定温度下进行铜的氧化过程；因此扩散系数(D)的计算公式为：
其中Nα表示步骤三几何优化后系统中扩散原子的数量，ri(0)为第i个原子在原始位置的坐标系数，ri(t)是时间t处的第i个原子的坐标系数，可以从均方位移(MSD)推断扩散系数(D)，扩散系数越大，铜的抗氧化性越强；
六、晶格内扩散阶段：利用Materials Studio软件计算不同元素掺杂的Cu/O晶胞模型的扩散激活能：氧在铜晶胞里的扩散激活能由嵌入爬坡中的最小能量路径计算，反应了氧在晶胞内的扩散速率，通过结构弛豫计算，确定了O在Cu晶胞间隙中的稳定结构；扩散激活能越大，铜的抗氧化性越强。
本发明的原理以及有益效果为：
本发明提出采用第一性原理计算，可从原子尺度、基于元素特性和晶体结构，计算铜氧化的基本过程，界面的结合强度，并对元素间的布居，电荷转移等进行定量分析，从而获得合金元素掺杂改善铜氧化的机理。金属铜易与氧结合形成氧化物，而当合金元素掺杂时会优先与氧成键，从而形成更强的氧化物，阻碍了铜与氧的结合，最终提高铜的抗氧化性。铜合金抗氧化性的关键是表明添加合金元素优先形成氧化物。
本发明进行氧化的三个阶段的研究，按照先后顺序，先吸附、再界面扩散，最后晶格内扩散。
附图说明
图1为不同的元素M掺杂后的吸附能对比图；
图2为掺杂La元素后铜合金中镧原子的扩散系数D的数据图；
图3为铜单质中铜原子的扩散系数D的数据图；
图4为铜单质中氧原子的扩散系数D的数据图；
图5为铜合金中氧原子的扩散系数D的数据图；
图6为未掺杂的单质铜的扩散激活能数据图；
图7为掺杂La元素后的扩散激活能数据图；
图8为掺杂La后氧化质量增重对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、利用Materials Studio(MS)软件的CASTEP模块，采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理对铜晶体单胞进行几何优化，获得总能量最稳定的铜晶体单胞，几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
二、建立不同元素掺杂的铜/氧界面模型：将步骤一优化后的铜晶体单胞进行扩列3×3×1构建超胞模型，随后用不同的元素M替换中心的Cu原子，然后切取能量最低的晶面(110)晶面并加入
的真空层，保证计算模型不受周期性的影响；然后构建氧分子与(110)晶面的界面模型，将氧分子置于不同的位置，构建不同的Cu/O2界面模型；
三、计算不同元素掺杂的Cu/O2的吸附能：将步骤二中所有Cu/O2界面模型调整到对应的平衡间距后，再进行几何优化；按照氧化的三个先后顺序阶段，依次进行吸附，再界面扩散，最后晶格内扩散的研究；
四、吸附阶段：根据下方公式计算吸附能Ead，吸附能越大对氧的吸附越好，则其氧化性越好，抗氧化性越差，所以选择吸附能最低的；吸附能Ead计算公式如下：
其中，
是指步骤三几何优化后表面总能量与O2分子模型；Esurface表示步骤三几何优化后界面模型的能量；/>
代表步骤三几何优化后O2分子的能量；几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
五、界面扩散阶段：计算不同元素掺杂的Cu/O2界面模型的扩散系数：通过局部密度泛函理论的MD计算，不同元素的扩散系数在MS分子模拟软件(DMol3)中实现；采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，考虑数量、体积和温度(NVT)，扩散温度由Nos′e方法来控制；在一定温度下进行铜的氧化过程；因此扩散系数(D)的计算公式为：
其中Nα表示步骤三几何优化后系统中扩散原子的数量，ri(0)为第i个原子在原始位置的坐标系数，ri(t)是时间t处的第i个原子的坐标系数，可以从均方位移(MSD)推断扩散系数(D)，扩散系数越大，铜的抗氧化性越强；
六、晶格内扩散阶段：利用Materials Studio软件计算不同元素掺杂的Cu/O晶胞模型的扩散激活能：氧在铜晶胞里的扩散激活能由嵌入爬坡中的最小能量路径计算，反应了氧在晶胞内的扩散速率，通过结构弛豫计算，确定了O在Cu晶胞间隙中的稳定结构；扩散激活能越大，铜的抗氧化性越强。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的元素M为Sc。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中所述的元素M为Y。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的元素M为La。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中所述的元素M为Ce。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中所述的元素M为Nd。其他与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中所述的元素M为Gd。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二中所述的元素M为Al。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：合金化为将铜单质和掺杂元素M的单质放在马弗炉中，在空气中进行高温氧化6h。其他与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：合金化的温度为800℃。其他与具体实施方式九相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，是按以下步骤进行的：
一、利用Materials Studio(MS)软件的CASTEP模块，采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理对铜晶体单胞进行几何优化，获得总能量最稳定的铜晶体单胞，几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
二、建立不同元素掺杂的铜/氧界面模型：将步骤一优化后的铜晶体单胞进行扩列3×3×1构建超胞模型，随后用不同的元素M替换中心的Cu原子，然后切取能量最低的晶面(110)晶面并加入
的真空层，保证计算模型不受周期性的影响；然后构建氧分子与(110)晶面的界面模型，将氧分子置于不同的位置，构建不同的Cu/O2界面模型；
三、计算不同元素掺杂的Cu/O2的吸附能：将步骤二中所有Cu/O2界面模型调整到对应的平衡间距后，再进行几何优化；按照氧化的三个先后顺序阶段，依次进行吸附，再界面扩散，最后晶格内扩散的研究；
四、吸附阶段：根据下方公式计算吸附能Ead，吸附能越大对氧的吸附越好，则其氧化性越好，抗氧化性越差，所以选择吸附能最低的；吸附能Ead计算公式如下：
其中，
是指步骤三几何优化后表面总能量与O2分子模型；Esurface表示步骤三几何优化后界面模型的能量；/>
代表步骤三几何优化后O2分子的能量；几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
五、界面扩散阶段：计算不同元素掺杂的Cu/O2界面模型的扩散系数：通过局部密度泛函理论的MD计算，不同元素的扩散系数在MS分子模拟软件(DMol3)中实现；采用广义梯度近似(GGA)的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，考虑数量、体积和温度(NVT)，扩散温度由Nos′e方法来控制；在一定温度下进行铜的氧化过程；因此扩散系数(D)的计算公式为：
其中Nα表示步骤三几何优化后系统中扩散原子的数量，ri(0)为第i个原子在原始位置的坐标系数，ri(t)是时间t处的第i个原子的坐标系数，可以从均方位移(MSD)推断扩散系数(D)，扩散系数越大，铜的抗氧化性越强；
六、晶格内扩散阶段：利用Materials Studio软件计算不同元素掺杂的Cu/O晶胞模型的扩散激活能：氧在铜晶胞里的扩散激活能由嵌入爬坡中的最小能量路径计算，反应了氧在晶胞内的扩散速率，通过结构弛豫计算，确定了O在Cu晶胞间隙中的稳定结构；扩散激活能越大，铜的抗氧化性越强。
选择不同的元素M单质和铜单质放在马弗炉中，在空气中进行800℃的高温氧化6h，掺杂质量比重均为2％，每隔25min进行称重。
吸附阶段：图1为不同的元素M掺杂后的吸附能对比图(用步骤四的公式计算)，最左边的为未进行掺杂的单质铜，图1说明了各元素添加后吸附能降低，改善了Cu合金对氧的吸附。其中最优的为La元素。
界面扩散阶段：只做掺杂La元素的，步骤五计算出不同元素的扩散系数D是由软件得出均方位移(MSD)的曲线后，将原始位置的坐标与最后平衡位移位置的坐标相连，作出均方位移曲线的斜率即可得出扩散系数(D)。
图2为掺杂La元素后铜合金中镧原子的扩散系数D的数据图，曲线1为均方位移(MSD)的曲线，曲线2为将原始位置的坐标与最后平衡位移位置的坐标相连。图3为铜单质中铜原子的扩散系数D的数据图，曲线1为均方位移(MSD)的曲线，曲线2为将原始位置的坐标与最后平衡位移位置的坐标相连。可以看出La-CuLa/O(2.398)>Cu-Cu/O(1.996)，添加La元素后，La的扩散系数大于Cu的扩散系数，说明La会优先与氧反应形成氧化物，减少Cu的氧化。
图4为铜单质中氧原子的扩散系数D的数据图，曲线1为均方位移(MSD)的曲线，曲线2为将原始位置的坐标与最后平衡位移位置的坐标相连。图5为铜合金中氧原子的扩散系数D的数据图，曲线1为均方位移(MSD)的曲线，曲线2为将原始位置的坐标与最后平衡位移位置的坐标相连。可以看出，O-Cu/O(4.872)>O-CuLa/O(3.337)，添加La元素后，O的扩散系数减少，说明氧化过程减缓。
晶格内扩散阶段：只做掺杂La元素的，利用Materials Studio软件计算不同元素掺杂的Cu/O晶胞模型的扩散激活能：氧在铜晶胞里的扩散激活能由嵌入爬坡中的最小能量路径计算，反应了氧在晶胞内的扩散速率，通过结构弛豫计算，确定了O在Cu晶胞间隙中的稳定结构；扩散激活能越大，铜的抗氧化性越强。
图6为未掺杂的单质铜的扩散激活能数据图，图7为掺杂La元素后的扩散激活能数据图，可以看出未掺杂的单质铜的扩散激活能为6.72ev，掺杂La元素后的扩散激活能为7.804ev，说明氧在界面内和晶格内的扩散明显降低。
图8为掺杂La后氧化质量增重对比图，可以看出掺杂氧化后的质量面积比明显降低，以上理论计算和实验均证明掺杂元素有效提高了铜的抗氧化性。
Claims (3)
1.一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，其特征在于基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法是按以下步骤进行的：
一、利用Materials Studio软件的CASTEP模块，采用广义梯度近似GGA的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理对铜晶体单胞进行几何优化，获得总能量最稳定的铜晶体单胞，几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
二、建立不同元素掺杂的铜/氧界面模型：将步骤一优化后的铜晶体单胞进行扩列3×3×1构建超胞模型，随后用不同的元素M替换中心的Cu原子，然后切取能量最低的晶面(110)晶面并加入
的真空层，保证计算模型不受周期性的影响；然后构建氧分子与(110)晶面的界面模型，将氧分子置于不同的位置，构建不同的Cu/O2界面模型；
所述的元素M为Sc、Y、La、Ce、Nd、Gd或Al；
三、计算不同元素掺杂的Cu/O2的吸附能：将步骤二中所有Cu/O2界面模型调整到对应的平衡间距后，再进行几何优化；按照氧化的三个先后顺序阶段，依次进行吸附，再界面扩散，最后晶格内扩散的研究；
四、吸附阶段：根据下方公式计算吸附能Ead，吸附能越大对氧的吸附越好，则其氧化性越好，抗氧化性越差，所以选择吸附能最低的；吸附能Ead计算公式如下：
其中，
是指步骤三几何优化后表面总能量与O2分子模型；Esurface表示步骤三几何优化后界面模型的能量；/>
代表步骤三几何优化后O2分子的能量；几何优化中的三个计算关键参数为：k-point为8×8×6，cut-off为320eV，SCF tolerance为3×10-5eV/atom；
五、界面扩散阶段：计算不同元素掺杂的Cu/O2界面模型的扩散系数：通过局部密度泛函理论的MD计算，不同元素的扩散系数在MS分子模拟软件DMol3中实现；采用广义梯度近似GGA的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，考虑数量、体积和温度NVT，扩散温度由Nos′e方法来控制；在一定温度下进行铜的氧化过程；因此扩散系数D的计算公式为：
其中Nα表示步骤三几何优化后系统中扩散原子的数量，ri(0)为第i个原子在原始位置的坐标系数，ri(t)是时间t处的第i个原子的坐标系数，从均方位移MSD推断扩散系数D，扩散系数越大，铜的抗氧化性越强；
六、晶格内扩散阶段：利用Materials Studio软件计算不同元素掺杂的Cu/O晶胞模型的扩散激活能：氧在铜晶胞里的扩散激活能由嵌入爬坡中的最小能量路径计算，反应了氧在晶胞内的扩散速率，通过结构弛豫计算，确定了O在Cu晶胞间隙中的稳定结构；扩散激活能越大，铜的抗氧化性越强。
2.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，其特征在于合金化为将铜单质和掺杂元素M的单质放在马弗炉中，在空气中进行高温氧化6h。
3.根据权利要求2所述的一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法，其特征在于合金化的温度为800℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211326088.7A CN115565631B (zh) | 2022-10-27 | 2022-10-27 | 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211326088.7A CN115565631B (zh) | 2022-10-27 | 2022-10-27 | 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115565631A CN115565631A (zh) | 2023-01-03 |
| CN115565631B true CN115565631B (zh) | 2023-06-20 |
Family
ID=84768607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211326088.7A Active CN115565631B (zh) | 2022-10-27 | 2022-10-27 | 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115565631B (zh) |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016225587A (ja) * | 2015-05-29 | 2016-12-28 | 株式会社神戸製鋼所 | 酸化物半導体層を含む薄膜トランジスタ |
| US10946362B1 (en) * | 2017-02-24 | 2021-03-16 | University Of South Florida | Perovskite oxides for thermochemical conversion of carbon dioxide |
| CN108690920A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-10-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法 |
| CN109101780B (zh) * | 2018-07-24 | 2019-04-05 | 北京航空航天大学 | 一种评价稀土原子与空位在双相界面处相互作用的方法 |
| WO2020170068A1 (ja) * | 2019-02-22 | 2020-08-27 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 金属酸化物、および金属酸化物を有するトランジスタ |
| CN110136783A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-16 | 潍坊科技学院 | 一种稀土掺杂改性性能预测方法 |
| JP7327476B2 (ja) * | 2019-05-31 | 2023-08-16 | オムロン株式会社 | Ａｇ合金を主成分とする接点用材料、該接点用材料を用いた接点、及び電気機器 |
| US11420879B2 (en) * | 2019-11-06 | 2022-08-23 | Robert Bosch Gmbh | Conductive, anticorrosive magnesium titanium oxide material |
| CN113555068B (zh) * | 2021-07-13 | 2024-06-18 | 北京航空航天大学 | 一种计算合金化元素在镍基单晶高温合金双相界面附近层浓度的方法 |
| CN114974474A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-08-30 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 结构材料的多尺度链条式集成设计方法及数据库系统 |
| CN114959394A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-08-30 | 广西科学院 | 一种bcc结构固溶体合金的设计方法及其应用 |
| CN115028194B (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于第一性原理设计金属离子掺杂改善银与氧化锡润湿性的方法 |
-
2022
- 2022-10-27 CN CN202211326088.7A patent/CN115565631B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115565631A (zh) | 2023-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pan | Structural prediction and overall performances of CrSi2 disilicides: DFT investigations | |
| Yin et al. | Optimization of the electronic band structure and the lattice thermal conductivity of solid solutions according to simple calculations: a canonical example of the Mg2Si1–x–y Ge x Sn y ternary solid solution | |
| Jung et al. | The origin of excellent rate and cycle performance of Sn 4 P 3 binary electrodes for sodium-ion batteries | |
| US10326068B2 (en) | Thermoelectric device, thermoelectric module including the thermoelectric device, thermoelectric apparatus including the thermoelectric module, and method of manufacturing the same | |
| US9627600B2 (en) | Mg—Si system thermoelectric conversion material, method for producing same, sintered body for thermoelectric conversion, thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion module | |
| US20170125658A1 (en) | Thermoelectric Conversion Element and Thermoelectric Conversion Module | |
| EP2963694B1 (en) | Thermoelectric conversion material, method for producing same, and thermoelectric conversion module | |
| Hong et al. | Monolithic Bi 1.5 Sb 0.5 Te 3 ternary alloys with a periodic 3D nanostructure for enhancing thermoelectric performance | |
| Van et al. | Nanostructured oxide materials and modules for high-temperature power generation from waste heat | |
| JP2003309294A (ja) | 熱電モジュール | |
| Kocevski et al. | Designing high-efficiency nanostructured two-phase heusler thermoelectrics | |
| JP2014165188A (ja) | 熱電変換素子 | |
| CN113767182A (zh) | 以Ag合金为主要成分的接点用材料、使用该接点用材料的接点及电气设备 | |
| CN115565631B (zh) | 一种基于第一性原理设计合金化改善铜抗氧化性的方法 | |
| JP2014179375A (ja) | 熱電変換素子 | |
| Uher | Thermoelectric properties of Skutterudites | |
| Sallehin et al. | A review on fabrication methods for segmented thermoelectric structure | |
| Wei et al. | Thermoelectric properties of 2D semiconducting Pt2CO2 | |
| JP2013197265A (ja) | 熱電変換モジュール | |
| JP4129763B2 (ja) | 燃料電池用アノード電極及びその製造方法 | |
| KR102198207B1 (ko) | 침입형 도핑재 첨가에 의한 복합결정구조가 형성된 Te계 열전소재 | |
| Kihoi et al. | Enhanced Electrical, Thermal, and Mechanical Properties of SnTe through Equimolar Multication Alloying for Suitable Device Applications | |
| Li et al. | Understanding the electrochemical properties of bulk phase and surface structures of Na 3 TM PO 4 CO 3 (TM= Fe, Mn, Co, Ni) from first principles calculations | |
| JPWO2019167709A1 (ja) | 熱電変換モジュール用部材、熱電変換モジュール及び熱電変換モジュール用部材の製造方法 | |
| Köksal et al. | Chern insulating phases and thermoelectric properties of EuO/MgO (001) superlattices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |