基于Kohn-Sham电子轨道依赖的交换关联泛函理论研究电子阻止本领中的电荷转移机制

The study of the interaction between ions and matter is the basis of many applications in nuclear energy, space technology, radiotherapy and other areas, which is both important in fundamental and applied sciences. Following with the latest research progress on the electronic stopping power (Se) of materials, this project aims to investigate the mechanisms of charge transfer in the collisions between the low-energy ions and the electrons, and to study the micro-mechanism of the Se of nanostructured materials by employing ab initio molecular dynamics. In order to correctly describe the electronic ionization and charge transfer effects in the collision processes, the Kohn-Sham electron orbital dependent exchange-correlation functional theory will be developed, in which the derivative discontinuity and the long-range asymptotic behavior of the exchange-correlation potential are guaranteed. By analyzing the influences of different charge states and velocities of the ions on the number of transferred electrons, the charge transfer effect will be discussed when the low-energy ions are colliding with graphene molecule and LiF nanostructure. The physical mechanisms of charge transfer will be explored by monitoring the time evolution of Kohn-Sham eigenvalue spectra during the collision, and the dependence of the mechanisms on the electronic structures of the projectile and the target will be revealed. The Se of silicon carbide and tungsten when the low-energy protons and helium ions are traversing through them will be considered, and the influences of electron exchange on the Se will be clarified. The Se theory which includes the effects of charge transfer will be established.

研究离子与物质的相互作用是核能，空间技术以及放射医学等应用领域的基础，对基础科学和应用科学都有重要意义。本项目旨在结合国际和国内关于材料电子阻止本领（Se）的最新研究进展，采用第一性原理分子动力学研究低能离子与电子碰撞时的电荷转移机制，开展纳米结构材料Se微观机制的研究。为了正确地描述离子碰撞过程中的电离和电荷转移效应，发展基于Kohn-Sham电子轨道依赖的交换关联泛函理论，该泛函能够正确地描述交换关联势对电子数的不连续性质和长程渐近行为。通过分析离子的电荷态和入射速度对电荷转移量的影响，研究低能离子与石墨烯分子和LiF纳米结构材料碰撞过程中的电荷转移效应。观察碰撞过程中体系Kohn-Sham电子能级的变化，探索电荷转移的物理机制，揭示其与弹靶的电子结构之间的依赖关系。研究低能质子和氦离子在3C-SiC和W中的Se，阐明电荷交换效应对Se的影响。建立一个包含了电荷转移效应的Se理论。

离子与物质相互作用及其辐照效应是辐射物理、辐射防护、离子注入材料改性和核工程等领域的一个关键问题，它同时具有重要的基础科学意义和工程应用前景。本项目结合国内外关于离子与物质相互作用及其辐照效应的最新研究进展，开展了低能离子在半导体和金属材料中电子阻止本领微观物理机制的理论研究。在三年的执行期中，本项目采用第一性原理分子动力学研究了低能质子和氦离子在介质中的电子激发和电荷转移机制。通过静态电子结构计算，阐明了Al掺杂α-SiO2的电荷转移机制，确定了Al离子在α-SiO2的稳定电荷状态以及Al离子掺杂导致铁磁耦合的物理机制；通过采用软库仑势模拟反质子在介质中的相互作用，发现反质子在LiF中的电子阻止本领与入射速度成线性关系。并且，由于反质子在介质中不能发生电荷交换作用，因此通过比较质子与反质子在LiF中电子能量损失的区别，揭示了电荷转移对电子阻止本领的影响；通过采用只包含了价电子的W原子赝势模型，质子和氦离子在金属W中电子阻止本领的理论值与实验测量值符合得很好。本项目的研究结果表明一个细致的电子阻止本领模型应该同时考虑弹-靶体系的电子结构，综合考虑入射离子电荷态、电子激发和电荷转移对电子阻止的影响。本项目的开展对进一步理解低能离子与介质中电子之间的相互作用，以及电子阻止本领的微观机制有重要意义。