AmO的从头计算gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

采用基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)中的线性化增强平面波(LAPW)方法研究了AmO2和PuO2等萤石结构锕系氧化物的性质。本文研究了锕系元素的5f态行为和完全相对论性的自旋轨道耦合gydF4y2Ba化合物gydF4y2Ba．AmO2和PuO2材料的费米能分别为0.80561和0.78551 eV。自旋相关的结构表明，能量跨越费米能级，这表明两种材料gydF4y2Ba金属gydF4y2Ba在自然界中。晶体场分裂显示eg态和t2g态的能隙。AmO2和PuO2的晶体场分裂值分别为3.2 eV和4.6 eV。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

锕系元素;核化合物;AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}；结构材料和磁性材料gydF4y2Ba

简介gydF4y2Ba

在核反应堆中积累的微量锕系元素(如Np、Am和Cm)被认为是长寿命的最重要组成部分gydF4y2Ba放射性废物gydF4y2Ba．建议在新一代核反应堆中燃烧它们，以减少废物的所需体积[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。锕系材料由于5f电子的存在而具有有趣的物理行为，引起了广泛的关注[gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba-gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。在非弹性中子散射截面中观测到的高能量峰清楚地表明了5f态的局域性[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。由于锕系元素及其放射性的复杂电子结构，核材料的腐蚀行为往往是不寻常的，难以解释。钚(Pu)元素是一种活性金属，其表面很容易氧化为二氧化钚(PuO)gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba})暴露在空气和湿气中[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。年青gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}是一种化学性质稳定的氧化Pu，暴露在空气中没有任何反应迹象[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。锕系化合物的化学性质不仅有5f电子，也有6d或7s电子，因此阐明它们的行为非常复杂。因此，了解氧化物核燃料中镅(Am)的价态是氧化物核燃料管理的关键问题之一。为了评价Am在氧化物核燃料中的行为，Am原子周围的局域结构和电子结构提供了必不可少的信息，因为Am的价态强烈地影响着氧的化学势和燃料的热性能[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

不同的物理性质(AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba})自1969年以来一直在实验中进行研究[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。镅具有高而持久的放射性毒性，尤其考虑到放射性废物最终处置的长期安全问题，这可能会造成问题。因此，最好是将Am回收到反应堆中，并将其转化为稳定或毒性较低的核素。因此，含am的氧化物被认为是很有前途的嬗变器件[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。在MAs中，镅是主要的关注点，因为含am的氧化物具有极高的氧势[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba-gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。它们的氧势是反应堆安全辐照不可缺少的数据。其中(Pu, Am)OgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}-X是两个快堆中含am氧化物的候选形式[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]和加速器驱动的次临界系统[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。因此，对MA氧化物的性能进行评价是非常重要的。然而，关于MA氧化物的性质的信息很少;此外，它们被限制在少数性质，或一个小的温度范围。这是因为与高辐射场相关的困难。鉴于再生燃料在未来的广泛应用，有必要开发一种新的技术来评估MA氧化物的热物理性质。近年来，微量锕系元素(MA)，特别是Am，已成为建立与减少环境负担和可持续能源供应要求相适应的未来核燃料循环的特别关注的问题[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba]。为了减少放射性废物潜在的长期危害，MAs的嬗变被认为是未来核燃料循环的一个重要选择[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。在核废料嬗变研究的框架内，重要的是研究微量锕系化合物(MA)的化学热力学性质(以及其他)。微量锕系氧化物为gydF4y2Ba复合材料gydF4y2Ba与MgO或固溶体与UOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}或稳定ZrOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}被认为是嬗变的燃料[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]。因此，氧化物燃料中Am原子周围的局域结构和电子结构提供了不可或缺的信息，因为Am的价态强烈影响MA-MOX燃料的氧势和热性能[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

在这项研究中，我们确实专注于与不同状态s, p, d和f相关联的基本性质，但我们的主要焦点是5f电子。锕系材料因其有趣的5f态物理行为而被广泛研究，并因其在核燃料循环中的重要性而一直备受关注[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba-gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]。钚混合氧化物(MOX)有几种衰变常数不同的同位素。本文利用线性化增强平面波(LAPW)计算锕系氧化物的晶格常数、电子模、体模、能带结构、总态密度和部分态密度。gydF4y2Ba

计算方法gydF4y2Ba

为了研究PuO的结构和电子性能gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}在基态下，我们确实使用WIEN2k代码进行了第一原理模拟[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba31gydF4y2Ba]。在这项工作中，全势线性化增强平面波(FP-LAPW)方法[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]在广义梯度近似内[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]用于求解Kohn-Sham方程，以估计PuO的结构、电子和磁性能gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}AmO,gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}．采用线性化增强平面波(LAPW)和局部轨道增强平面波(APW + lo)作为基，因为混合基集的效率最高。钚(6年代gydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}7 sgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}6 pgydF4y2Ba^6gydF4y2Ba6 dgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}5 fgydF4y2Ba^6gydF4y2Ba)，镅(6sgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}7 sgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}6 pgydF4y2Ba^6gydF4y2Ba6 dgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}5 fgydF4y2Ba^7gydF4y2Ba)，铀(6sgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}7 sgydF4y2Ba^{2 gydF4y2Ba}6 pgydF4y2Ba^6gydF4y2Ba6 dgydF4y2Ba^15gydF4y2BafgydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba)和氧(2s2 2p4)处理价电子态。为了理解量子力学，密度泛函理论[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba，gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]计算采用局部密度近似(LDA) [gydF4y2Ba36gydF4y2Ba来描述电子交换和相关或广义gydF4y2Ba梯度gydF4y2Ba近似(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba] (GGA)为交换相关函数。半核心状态包括在内，因此可以获得更准确的结果。gydF4y2Ba

对于交换相关势，我们使用Perdew等人推导的形式。[gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。基函数同时扩展为球面谐波函数(在以原子位置为中心的非重叠松饼锡(MT)球体内)和间隙区域的平面波。MT球内的非球势和电荷密度的ι-展开(方位量子数)一直进行到l ιgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}= 10。平面波被扩展到一个截止参数kgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}，满足关系RMT kgydF4y2Ba_{马克斯gydF4y2Ba}= 8，其中RMT为MT个球体的平均半径gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

的电子性质gydF4y2Ba水晶gydF4y2BaAmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}利用GGA方法对材料的自旋极化电子带结构进行了研究。计算AmO的能带结构gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料在gydF4y2Ba图1 a-2bgydF4y2Ba．这是显而易见的gydF4y2Ba图1一个gydF4y2BaAmO自旋时存在3.2 eV的带隙gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}．可以清楚地看到，费米能级穿过价带。这个跨界展示了AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料本质上是金属的。年青一代的gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}，这是清楚的gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba费米能级也穿过价带，在费米能级上方存在2.8 eV的带隙，这表明PuOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料在本质上也是金属的。gydF4y2Ba图1b和2bgydF4y2Ba有AmO自旋态的计算带结构吗gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba},分别。这些数字表明，AmO的自旋存在1.6 eV和0.01 eV的带隙gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba},分别。这些数字表明费米能级穿过价带。这些交叉表明，在两个自旋的情况下，这些材料本质上是金属的。gydF4y2Ba

普氏理论研究gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}实验结果表明，两种材料的带隙中晶格常数的差异明显。在PuO中，大部分自旋的带隙分别为3.2 eV和2.8 eVgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba},分别。这些材料的多数自旋差值为0.4 eV。在少数自旋情况下，PuO的带隙分别为1.6 eV和1.0 eVgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba},分别。PuO带隙差gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}小自旋为0.6 eV。AmO中锕系元素的5f电子态gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}由于氧-2p态的贡献，材料有最大的重叠。然而，这些价值观与PuO的其他作品有所不同gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}［gydF4y2Ba39gydF4y2Ba-gydF4y2Ba44gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

计算了PuO的自旋极化总态密度gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}均显示在gydF4y2Ba图3a及3bgydF4y2Ba,分别。年青一代的gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}，从图中可以看出，-7.41 ~ -2.5 eV能量范围内的状态是由于不完全的O-p态，其中Pu-6d态的贡献很小。因此，可以肯定该区域有O-p态的主要贡献。得到的电子态具有金属性质，在费米能量下有相当大的5f态扰动，f态有6个电子。有一个gydF4y2Ba能源gydF4y2Ba换挡范围:1.25至2.8 eV。可以观察到，由于在上述范围内氧的p态的贡献，在导带中发生了能量转移。斥力可以在2.9 ~ 9.8 eV范围内观察到，对于O原子和Pu原子。对于AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}在-7.41到-2.5 eV的范围内可以看到类似的模式。该区域的大部分贡献是由于O-p状态，少数贡献是由于6-d状态。因此，AmO的金属行为gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}由于在费米能量下有5个f态扰动，f态贡献了7个电子，因此可以在这个区域观察到物质。在PuO中也可以看到类似的模式gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}这是由于6-d状态的存在。它们f态峰值的唯一变化是由于PuO的f态电子的不同gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}和AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba比较两种材料的f态。从图中可以清楚地看出，在-0.8到-0.65 eV的区域内，Am原子的主导峰。从价带到导带可以观察到减小，并且导带有明显的相移。当两种材料发生相移时，发现有一个小的畸变。在Pu的情况下，f态的峰值向费米能级移动，当感兴趣的因子向下自旋时，可以观察到。在相移过程中，Pu和Am的相移间隙较小，分别为0.6 eV和0.15 eV。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba结果表明，在-7.5 ~ -2.5 eV区域内，氧的Am-d态和Am-p态存在重叠，并且在该区域内所有态都存在排斥。但有趣的结果可以在-1到2.6 eV的区域看到。在费米能量之前，能量会有一个突然的变化，它会下降。在上述区域可以发现从一个自旋到另一个自旋的位移，在中也可以观察到同样的位移gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图6显示，在-7.5 ~ -2.5 eV范围内，Pu-p态和Pu-d态存在重叠，并且在该区域也可以观察到所有态的斥力。在-1.0 ~ 2.6 eV区域出现了有趣的结果。费米能之前的能量有一个突然的变化，它趋于下降。在这个区域可以发现从一个自旋到另一个自旋的位移。gydF4y2Ba

这些材料的有趣特征是晶体场分裂，它描述了两组简并。这两个状态是双重简并egydF4y2Ba_ggydF4y2Ba状态和三重简并tgydF4y2Ba_{2 ggydF4y2Ba}状态，如图所示gydF4y2Ba图7和8gydF4y2Ba,分别。三个能量较低的轨道(dgydF4y2Ba_xygydF4y2BadgydF4y2Ba_xzgydF4y2Ba和dgydF4y2Ba_yzgydF4y2Ba)统称为tgydF4y2Ba_{2 ggydF4y2Ba}态和两个高能量轨道(dgydF4y2Ba_z2gydF4y2Ba和dgydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba可能是gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}) as;作为;状态的总密度投射到原子d轨道上。AmO带宽gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}eg态为3.5 eV, t2g态为1.9 eV，中心分别为5.25 eV和8.45 eV。这两个中心之间的差异是3.2 eV，这是AmO的晶体场分裂gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料。PuO的带宽gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}eg态为3.4 eV, t2g态为4.7 eV，中心分别为4.7 eV和8.16 eV。这两个中心之间的差值是3.46 eV，这是PuO的晶体场分裂gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料。本研究计算了AmO的晶格常数gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}分别为5.3263和5.305 Å。AmO的实验晶格常数分别为5.380和3.5401 ÅgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba},分别。这些计算值比AmO低1%gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}PuO低1.778%gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}与实验值相比[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]。这表明得到了一个可比较的结果。这些计算结果清楚地表明，金属5f态已经被发现，也就是说，金属5f态可能通过杂化或从电子态到电子态的转移变化来影响表面化学(表1)。gydF4y2Ba

表1:gydF4y2BaAmO2和PuO的晶格常数、体模和带隙能量的计算值gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}［gydF4y2Ba45gydF4y2Ba-gydF4y2Ba46gydF4y2Ba］gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

我们得出结论，AmO的费米能量gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料分别为0.80561 eV和0.78551 eV。自旋相关的结构表明能量跨越了费米能级，这表明这两种锕系氧化物本质上都是金属的。在AmO情况下gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料中，态密度峰值(DOS)比PuO在导带中更高且远离费米能级gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料。当我们研究这两种材料的状态时，在自旋相移过程中观察到一个有趣的特征，即在PuO的情况下可以观察到清晰的能隙gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}，而为AmOgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}在能量上发现了一个微小的缺口。或多或少，这两种化合物的所有性质都是相同的，除了产生AmO的5f态gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}与PuO相比，材料更稳定和放射性gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料。晶体场分裂显示了e的能隙gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba和tgydF4y2Ba_{2 ggydF4y2Ba}州。AmO的晶体场分裂值分别为3.2 eV和4.6 eVgydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}年青一代和gydF4y2Ba_{2 gydF4y2Ba}材料,分别。gydF4y2Ba

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