بررسی خواص ترمودینامیکی و ارتعاشی ThC تحت فشار و دمای بالا

صحافی, محمد حسین; مهدوی, محمد

doi:10.22055/jrmbs.2022.17627

بررسی خواص ترمودینامیکی و ارتعاشی ThC تحت فشار و دمای بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

محمد حسین صحافی

محمد مهدوی

گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران

10.22055/jrmbs.2022.17627

چکیده

در این تحقیق، خواص ساختاری، ترمودینامیکی و پاشندگی فونونی کاربید توریم توسط نظریۀ تابعی چگالی و نظریۀ اختلالی تابعی چگالی با استفاده از محاسبات ابتدا به ساکن در چارچوب روش امواج تخت مورد بررسی قرار گرفته است. از شبه پتانسیل‌های فوق نرم با تابعیت تقریب شیب تعمیم یافته برای پتانسیل تبادلی و همبستگی استفاده شده است. خواص ترمودینامیکیِ کاربید توریم تحت مدل شبه هماهنگ دبای – گرونیسن همان‌طور که در کد GIBBS2 پیاده‌سازی شده برای اولین بار مورد بررسی قرار گرفته است. خواص ساختاری شامل ثابت شبکه (a0)، مدول حجمی (B0) و مشتق مرتبه اول مدول حجمی (B0') با برازش معادله حالت درجه سوم بریچ – مورناگون محاسبه و با سایر کارهای نظری و تجربی مقایسه شدند که سازگاری خوبی با یکدیگر داشتند. ساختار نوار فونونی توسط نظریۀ اختلالی تابعی چگالی برای ثابت شبکۀ محاسبه شده و تجربی مورد بررسی قرار گرفت و گپ فونونی بدست آمده در حدود cm-1185 بود. مشاهده شد که دمای دبای با افزایش دما در یک فشار ثابت کاهش می‌یافت در حالی که با افزایش فشار برای تمام دماها افزایش می‌یافت. انرژی آزاد هلمهولتز ارتعاشی، انرژی آزاد گیبس، مدول حجمی آدیاباتیک، مدول حجمی همدما با افزایش دما در یک فشار ثابت کاهش پیدا می‌کردند.

کلیدواژه‌ها

کاربید توریم

مدل شبه هماهنگ دبای-گرونیسن

خواص ترمودینامیکی

پاشندگی فونونی

موضوعات

فیزیک ترمودینامیک و مکانیک آماری

عنوان مقاله English

Investigation of Vibrational and Thermodynamic Characteristics of ThC Under High Pressure and Temperature

نویسندگان English

Mohammad Hossein Sahafi

Department of Physics, Faculty of Science, University of Mazandaran, Babolsar, Iran

چکیده English

In this paper, the structural, thermodynamic properties and phonon dispersion of thorium carbide are investigated through the density functional theory and the density-functional perturbation theory by using ab initio calculations within the framework of the plane-wave method. Ultrasoft pseudopotentials with GGA-PBE functional are utilized for the exchange and correlation potential. Thermodynamic properties of ThC are studied for the first time under the quasi-harmonic Debye-Gruneisen model as was implemented in the GIBBS2 code. Structural properties including lattice constant (a0), bulk modulus (B0) and the first derivative of the bulk modulus (B0') are calculated by fitting the third-order Birch-Murnaghan equation of state and compared to other theoretical and experimental works that revealed a good agreement. The phonon band structure is calculated from the density-functional perturbation theory for the lattice constant and investigated experimentally and the obtained phonon gap was about 185 cm-1. It was observed that the Debye temperature decreases with increasing the temperature at a constant pressure while it increases with increasing the pressure for all temperatures. The Vibrational Helmholtz free energy, the Gibbs free energy, the adiabatic bulk modulus, and the isothermal bulk modulus decreased with increasing the temperature at a given pressure.

کلیدواژه‌ها English

Debye-Gruneisen quasi-harmonic model

Thermodynamic properties

Gruneisen parameter

Phonon dispersion

[1] J. Liu, Z. Dai, X. Yang, Y. Zhao, S. Meng, Lattice thermodynamic behavior in nuclear fuel ThO2 from first principles, Journal of Nuclear Materials 511 (2018) 11-17. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.08.054

[2] Y. Lu, Y. Yang, P. Zhang, Thermodynamic properties and structural stability of thorium dioxide, Journal of Physics: Condensed Matter 24 (2012) 2258-2263. https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/22/225801

[3] M. Sahafi, M. Mahdavi, First principles study on phonon dispersion, mechanical and thermodynamic properties of ThP, Materials Today Communications 26 (2021) 1019-1026. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101951

[4] D.P. Daroca, A.M. Llois, H.O. Mosca, Point defects in thorium nitride: A first-principles study, Journal of Nuclear Materials 480 (2016) 1-6. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.07.057

[5] Z. Lovasic, International Atomic Energy Agency (IAEA) Update on Spent Fuel Management Activities with Focus on Reprocessing-8042,

[6] B. Ioffe, B. Kochurov, Preliminary results of calculations for heavy-water nuclear-power-plant reactors employing 235U, 233U, and 232Th as a fuel and meeting requirements of a nonproliferation of nuclear weapons, Physics of Atomic Nuclei 75 (2012) 160-162. https://doi.org/10.1134/S1063778812020081

[7] R. Schram, F. Klaassen, Plutonium management with thorium-based fuels and inert matrix fuels in thermal reactor systems, Progress in nuclear energy 49 (2007) 617-622. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2007.09.003

[8] J.C. Boettger, Theoretical zero‐temperature isotherm and structural phase stability of thorium dioxide, International Journal of Quantum Chemistry 109 (2009) 3564-3569. https://doi.org/10.1002/qua.22376

[9] U. Benedict, Comparative aspects of the high-pressure behaviour of lanthanide and actinide compounds, Journal of alloys and compounds 223 (1995) 216-225. https://doi.org/10.1016/0925-8388(95)80020-4

[10] A.E. Shields, D. Santos-Carballal, N.H. de Leeuw, A density functional theory study of uranium-doped thoria and uranium adatoms on the major surfaces of thorium dioxide, Journal of Nuclear Materials 473 (2016) 99-111. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.02.009

[11] Y. Lu, D.-F. Li, B.-T. Wang, R.-W. Li, P. Zhang, Electronic structures, mechanical and thermodynamic properties of ThN from first-principles calculations, Journal of nuclear materials 408 (2011) 136-141. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.11.007

[12] A. Otero-de-la-Roza, D. Abbasi-Pérez, V. Luaña, Gibbs2: A new version of the quasiharmonic model code. II. Models for solid-state thermodynamics, features and implementation, Computer Physics Communications 182 (2011) 2232-2248. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2011.05.009

[13] I. Peyvasyeh, g. Alahyarizadeh, A. Minuchehr, Mechanical and thermodynamic properties of 3C structure of silicon carbide using molecular dynamics and density functional theory methods, Journal of Research on Many-body Systems 8 (2019) 22-38. https://doi.org/10.22055/JRMBS.2018.13975

[14] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Journal of physics: Condensed matter 21 (2009) 3955-3972. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502

[15] H.J. Kulik, M. Cococcioni, D.A. Scherlis, N. Marzari, Density functional theory in transition-metal chemistry: A self-consistent Hubbard U approach, Physical Review Letters 97 (2006) 1030-1041. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.103001

[16] S. Baroni, S. De Gironcoli, A. Dal Corso, P. Giannozzi, Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory, Reviews of modern Physics 73 (2001) 515. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.73.515

[17] H. Kleykamp, D. Fischer, E. Fluck, L. Gmelin, R.J. Meyer, E. Pietsch, Gmelin handbook of inorganic and organometallic chemistry: Uranium: Syst.-Nr. 55. Alloys of uranium with transition metals of group VIII, Verlag Chemie, (1997) 1025-1152.

[18] R. Benz, A. Naoumidis, D. Brown, Th Thorium: Supplement Volume C 3 Compounds with Nitrogen, Springer Science & Business Media, (2013) 2255-2325.

[19] A. Fazeli Kisomi, S.J. Mousavi, Ab initio calculations of structural, phonon and thermal properties of Co2MnGe and Co2MnSi, Journal of Research on Many-body Systems 8 (2018) 95-102. https://doi.org/10.22055/JRMBS.2018.13889