空位及He-3原子对量子晶体He-4中位错性质的影响

近年来，随着超固性在量子晶体He-4中的发现，促进了人们对其形成机制的深入探讨。目前，理论和实验结果均表明量子晶体的超固性和剪切模量反常不是量子晶体的一种本征行为，而是与内部缺陷（位错、空位、He-3杂质）相互作用密切相关的宏观性质。为了更好地理解量子晶体的超固性和剪切模量反常，需要对量子晶体内部位错缺陷性质有一个必要的认识。本项目在考虑离散效应修正的改进型Peierls-Nabarro(P-N)理论的框架下,结合Shadow Wave Function（SWF）方法确定的广义层错能及弹性常数研究HCP结构He-4量子晶体中位错的芯结构和Peierls应力。通过与不存在空位和He-3杂质原子的量子晶体He-4中的位错性质进行比较，重点分析空位对位错的润滑效应和He-3杂质原子对位错的钉扎效应。

项目资助期间主要研究了空位和替位反位原子等点缺陷、温度、压强等对广义层错能和广义面错能的贡献，在此基础了进一步研究了位错的芯结构、Pererls应力及FCC金属及合金的孪晶能力。主要结果(论文主要发表在Intermetallics, European Physics Journal B, Chinese Physics B和Computational Materials Science等期刊上)如下：（1）通过第一性原理分析点缺陷对层错能的贡献，发现只有滑移面附近的缺陷对层错能产生影响，验证了层错能计算的局域效应；研究了点缺陷（Ni空位、Ni反位、Cr和Pt替位）对NiAl二阶和三阶弹性常数的影响，利用脆塑性转变图发现Ni反位、Cr、Pt和压强能增强NiAl的塑性。（2）计算了高压下离子晶体MgO和CaO的弹性常数、广义层错能。在包含各向异性的改进Peierls-Nabarro理论框架下研究了1/2<110>{110}位错的芯结构和Peierls应力，发展了求解位错方程的Foreman方法，使求解过程更加简洁。（3）在研究MgB2中的位错缺陷时，发现文献对已有实验结果解释的错误。文献上通过透射电子显微镜观察到MgB2的层错并认为该层错来自于如下位错分解<1000> → 1/3 <1-100> + SF + 1/3 <2100>。通过第一性原理计算得到的广义层错能表明文献提出的分解方式导致极大的层错能而非极小值，且层错来自于<11-20>{0001}位错的分解。提出了一种能量最优的分解方式，即：<11-20> → 1/2 <11-20> + SF + 1/2<11-20>。在此基础上利用包含离散效应修正的Peierls-Nabarro理论讨论了<11-20> 分解位错的芯结构和Peierls应力。（4）基于准谐近似系统研究了fcc金属Al,Ni,Cu及Al稀土合金的在不同温度下的广义面错能，利用三种孪晶能力准则，即裂纹孪晶、晶界孪晶和本征孪晶，分析了它们的孪晶能力，结果表明Al不具有本征的孪晶能力，Al,Ni,Cu和Al稀土合金的孪晶能力随着温度的升高而降低。