高压下含铁离子氧化镁物性的研究

Recently, researchers focus on the properties of Fe-bearing MgO under high-pressure. Since MgO is the most stable and simple oxides, it is an ideal material for the investigations of materials under extreme conditions, high-pressure and high-temperature, for example, transition metal-bearing MgO is a good pressure medium and have very important implication in the field of high-pressure research. On the other hand, Fe-bearing MgO is one of the most abundant minerals in the Earth`s lower mantle, the thermodynamic properties of Fe-bearing MgO are very important to understanding the lower mantle. Moreover, due to the uncertainties of high-pressure experiments and the selection of ideal crystal structure in theoretical simulations, there are still some controversial reports about the properties of Fe-bearing MgO. In this project, based on the First-principles method combining with the Cluster Expansion method and Monte Carlo method, we will investigate the distribution of iron in MgO as functions of concentrations, pressures, and temperatures. Furthermore, the effects of defects and grain-boundaries on the distributions of iron in MgO will also be investigated and clarified. To compare with existing experimental observations, the thermoelastic and thermodynamic properties of stable configurations and the Fe`s L-edge X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy will be investigated. Our results can help people understand the distribution of Fe in MgO more sufficiently from the views of condensed-matter physics and also can give instructions to the related research in the high-pressure science and the Earth science.

近年来，高压下含铁离子MgO的物性研究引起了人们的广泛兴趣，一方面是因为MgO本身是研究高温高压极端环境下材料物性的理想材料，而过渡金属元素掺杂的MgO还是优良的传压介质，在高压科学中有重要的应用；另一方面，含铁离子MgO本身是构成下地幔的主要矿物，对其物性的探索将为地球科学提供重要的数据支持。然而，由于受高压实验表征手段和理论采用的理想模型的限制，人们对其高压下诸多物性依然缺乏统一的认识，文献报道存在众多矛盾之处。本项目拟采用第一性原理方法并结合团簇展开及蒙特卡洛方法系统研究铁离子在MgO中的分布随浓度、压力和温度的变化；研究在压力下缺陷和晶界对铁元素分布的影响；给出稳定构型的弹性性质、热力学性质和铁元素的X光吸收谱和穆斯堡尔谱，以期为实验研究提供参考。本项目期望能从凝聚态物理角度给出更为完整和准确的铁离子在MgO中的分布图像并加深人们对该体系物性的认识，以推动高压和地球科学的相关研究。

含铁氧化镁（铁方镁石）是下地幔中含量第二的矿物，所以高压下含铁氧化镁的物性对于理解下地幔的相关性质非常重要。此外，由于氧化镁是结构最简单和高温高压下最稳定的氧化物之一，同时掺杂的氧化镁也被广泛用作传压介质，所以含铁氧化镁是高压科学重要的研究对象。.因为含铁氧化镁属于强关联体系，对其理论模拟的方法主要采用Hubbard U修正，而U值的选择是准确模拟该体系的一大障碍。并且由于受第一性原理计算能力的限制，已有工作都是采用包含约100个原子的小超胞进行模拟，这就假定了铁离子在氧化镁中是理想均匀分布的。此外，关于含铁氧化镁中铁与缺陷等的相互作用也没有得到很好的阐述。针对上述问题，我们采用第一性原理方法并结合团簇展开方法、蒙特卡洛方法、SQS方法、经验势分子动力学方法和杂化泛函方法对含铁氧化镁的铁杂质分布行为、缺陷性质、自旋态转变行为、谱性质等做了系统研究，取得的主要结果如下：对含铁氧化镁在包含约1000000个原子的大超胞下研究了铁的分布随浓度和温度的变化，指出900 K是含铁氧化镁相分离和无序分布的分界点，给出了低温相分离的晶体结构，并且发现铁的无序分布会造成含铁氧化镁的自旋态转变发生在很宽的压力范围，解释了之前实验观测和理论模拟之间的差异。发现杂化泛函能够在统一的参数下给出正确的自旋态转变压力、缺陷构型，并通过谱性质模拟给出了区分缺陷种类的方法。发现缺陷对铁杂质的磁矩和价态等具有重要影响，会大大促进缺陷的产生，即使在下地幔温压条件下也会有大量缺陷存在。给出了不同应变速率下完整以及有缺陷氧化镁的弹性形变到塑性形变的临界冲击速度，得到了在不同冲击速度和缺陷出现的情况下由晶界参与的剪切带的形成和演化规律。.我们的研究结果大大拓展和加深了对含铁氧化镁的认识，给出了更为完整和准确的铁离子在氧化镁中的分布图像，拓宽了对成份复杂矿物的研究方法，指出考虑杂质分布行为是准确理解矿物及掺杂体系物性的关键之一，本研究积极推动了高压科学和地球科学的相关研究。