铁的高压相变研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

固体材料的高温高压性质对许多科学领域都具有非常重要的影响，尤其是地核的主要成分fe，它在地质学和材料学中都发挥着至关重要的作用。地质学实验数据表明地震波数据在3000 km深处的地核的传播速度与在fe中的传播速度相同，所以认为由于fe是地核的主要成分，因此fe在高温高压下的相变行为是地球科学研究的基础。尤其是fe高压相变的确定对理解行星内部的性质和形成过程至关重要。另一方面，fe作为材料科学领域中应用最为广泛的一种金属材料，其在高温高压下的研究对铁基材料的性质也具有促进作用，这也关乎着它以后的应用前景。到目前为止，虽然有大量金刚石压砧实验 (diamond-anvil cell dac) 和冲击波实验 (shock-wave sw) 对fe高温高压下的相关系进行研究，但是由于超高压下实验还存在许多不足，所以这种重要元素的高压相图并没有很精准地确定，而且所得到的结果中还存在许多不一致。为了更好地了解fe在极端条件下的行为以及其在确定地核性质的作用，第一性原理在其高温高压下的热力学性质、弹性性质以及熔点的计算具有重大意义。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

本论文拟研究fe的fcc，hcp和bcc三种结构，同时考虑各结构的磁性，利用第一性原理软件vasp计算这些结构在不同体积下的总能，得到能量与体积 (e-v) 的变化关系，并通过三阶bm方程进行拟合得到各结构的平衡性质，如：焓值、体模量等，而后通过准简谐模型计算各结构在不同压力下的吉布斯自由能，最后根据能量差确定各相转变压力。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

(1) 复习量子力学和热学，了解密度泛函理论的第一性原理，准简谐近似(quasi-harmonic approximation qha)和吉布斯自由能；

(2) 利用vesta软件建立fe元素的铁磁态的相应的三种结构模型；

4. 参考文献

[1] babaev e, sudb#248; a,ashcroft n w. a superconductor to superfluid phase transition in liquidmetallic hydrogen[j]. nature, 2004, 431(7009): 666-668.

[2] ashcroft n w. pressingsome boundaries in mendeleev’s chart[j]. physics, 2009, 2: 65.

[3] alfe d, kresse g,gillan m j. structure and dynamics of liquid iron under earth’s coreconditions[j]. physical review b, 2000, 61(1): 132

5. 计划与进度安排

(1) 2024年12月14日-2024年02月18日 指导教师与学生联系，学生根据要求收集资料；

(2) 2024年02月21日-02月25日 下达毕业任务书；

(3) 2024年02月28日-03月04日 学生完成开题报告；