关键词：
密度泛函理论
磁矩
声子色散
力学性质
电子结构
光学性质
摘要：
获得可靠、可持续和负担得起的能源被视为全球经济繁荣和稳定的关键。核能因无碳排放的特性,在未来的能源供给中将起到一定作用。通过增加燃耗,可以提高燃料效率并获得更多动力以提高经济效益。但随着燃耗的增加,给燃料性能与安全性带来了新挑战。通过添加各种掺杂剂（如Al2O3）,可以改善反应堆内燃料的性能。在烧结过程中,这些添加剂促进致密化扩散,从而增加烧结材料的密度和晶粒尺寸。除微观结构变化外,掺杂剂还与反应堆内形成的裂变产物相互作用,并在还原条件下推测Pu及其它锕系元素以三价阳离子存在。由于沉淀（PuAlO3）是固定宿主并可将长寿命核素转换为短寿命核素,则可减少处理高放射液体废物的工作量、降低地质风险并提高铀资源利用率。
为了验证PuAlO3的结构,Michele等人利用第一性原理计算比较了R3c、Pnma、Pm-3m、R-3c、R-3m和C2/c六种晶体结构。结果表明,正交Pnma（Gd Fe O3型钙钛矿）具有最低能量。最近,实验中合成了PuAlO3（空间群Imma）的正交构型,这与之前理论计算结果不符。针对第一性原理理论预测的Pnma结构与实验得到的Imma结构不同以及仍有一些PuAlO3基本性质未被关注。因此,在本项工作中我们采用GGA+U/GGA+U+SOC方法对PuAlO3的Pnma和Imma相进行了系统的理论研究,探讨了其结构、磁性、热力学、力学以及电子和光学性质。本文针对这些问题开展了以下研究:
通过多种计算方法,发现Pnma结构的能量低于Imma结构。这可能是因为DFT计算温度为0 K所致。考虑SOC后,Pnma结构和Imma结构间的能量差减小。考虑Hubbard修正的GGA得到反铁磁序更稳定,而不考虑U时铁磁序更稳定。没有虚频的声子色散曲线表明所有结构都具有动态稳定性。FM和AFM态声子曲线基本相同,Pu原子主要参与低频声子分支,而较轻的O原子则主要负责高频声子模式,并且Al原子主要分布在化合物中部。弹性参数表明该化合物具有机械稳定性。对于力学性能而言,在V-R-H方案下体积模量B与Birch-Murnaghan EOS拟合结果一致。Pnma的AFM结构具有最高的剪切模量和杨氏模量,表明其在研究的结构中具有最强的抗塑性变形能力和最大的刚度。PuAlO3化合物泊松比约为0.6,具有典型的离子键特性,并且它们是脆性材料（B/G比例小于1.75）。体积模量是各向异性,但其他参数则是各向同性的。根据电子计算结果显示FM态带隙更宽;此外PuAlO3属于直接带隙半导体,在对应Pnma结构中带隙显著大于Imma结构中带隙。引入SOC可以极大地改善对PuAlO3电荷和晶格特征描述效果。分波态密度可观察到主要由Pu和O原子贡献。Bader电荷计算表明,Pu和Al原子的电荷转移到O原子上。最后在光学性质计算中,Pnma相与Imma相的介电函数曲线趋势十分相似,并且FM态曲线与AFM态曲线基本吻合。本文对PuAlO3这基本性质的计算将有利于未来的实验和理论研究。
