蔡宗堅(jiān)，劉 睿

H雜質(zhì)在Mo-Ta晶格中成鍵機(jī)制的研究

蔡宗堅(jiān)1，劉 睿2

（1. 廣州工商學(xué)院，廣東 廣州 510000；2. 山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250358）

Mo-Ta合金作為一種有高熔點(diǎn)、抗輻照等特點(diǎn)的材料，被視為聚變工程中制造第一壁的潛在材料。目前有關(guān)Mo-Ta合金與H雜質(zhì)相互作用的研究還不完善，本文研究了H雜質(zhì)在體心立方Mo53Ta1合金中間隙位置的成鍵機(jī)制。通過(guò)基于密度泛函的第一性原理方法，通過(guò)Material Studio的CASTEP（Cambridge Serial Total Energy Package）模塊計(jì)算了Mo53Ta1-H體系的溶解能，態(tài)密度與布居數(shù)。溶解能計(jì)算結(jié)果表明：H原子在Mo-Ta合金中更傾向于存在與四面體間隙位置；通過(guò)分波態(tài)密度與布居數(shù)，分析了H、Mo、Ta之間不同電子軌道間電子轉(zhuǎn)移情況與不同原子間的成鍵情況。得出Mo、Ta間為金屬鍵，H與Ta和Mo之間存在共價(jià)作用，且H與Ta之間的共價(jià)作用更強(qiáng)。

第一性原理；面向等離子體材料；Mo-Ta合金；氫雜質(zhì)；成鍵機(jī)制

能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著化石燃料逐漸枯竭，受控?zé)岷司圩儽徽J(rèn)為是解決能源危機(jī)的永久方案[1]。受控?zé)岷司圩冄b置的關(guān)鍵問(wèn)題之一是解決面向等離子體的第一壁材料（Plasma Facing Materials，PFMs）的選擇問(wèn)題[2,3]。PFMs一般是第一壁材料、限制器以及偏濾器的總稱(chēng)，它們的共同特點(diǎn)就是在聚變堆工作時(shí)會(huì)直接面對(duì)高溫等離子體。為應(yīng)對(duì)聚變堆內(nèi)嚴(yán)酷的工作環(huán)境，PFMs需具有低濺射、高熔點(diǎn)、低氫（氚）滯留等特點(diǎn)[4-6]。PFMs分為高Z（原子序數(shù)）和低Z材料，低 Z材料如鈹或碳基材料可以減少雜質(zhì)對(duì)等離子體穩(wěn)定性的影響，多用來(lái)制作靶板和限制器[5]；當(dāng)邊緣等離子體溫度低，PFMs的濺射產(chǎn)額不足以威脅等離子體時(shí)，可使用高Z材料，如鎢及其合金等高熔點(diǎn)金屬[7]。聚變堆工作時(shí)產(chǎn)生的等離子流輻照會(huì)對(duì)第一壁材料造成損害，巨大的H、He通量濺射刻蝕表面原子，對(duì)PFMs的結(jié)構(gòu)和性能造成重大影響[8]。目前有關(guān)H雜質(zhì)與聚變堆第一壁材料相互作用的研究主要集中在最常用的第一壁材料鎢及其合金上，例如鎢鈦合金[9]以及H與純鎢晶格中空位的相互作用[10]。低能量、高通量H/He等離子體輻照會(huì)使鎢表面的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣泡[11,12]。

鉬（Mo）和鉭（Ta）是典型的高熔點(diǎn)過(guò)渡金屬。其中鉬的熔點(diǎn)高達(dá)2 898 K，有著高溫高強(qiáng)度，高溫下良好的抗張強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和良好的耐熱性[13]。鉭的熔點(diǎn)更是高達(dá)3 290.15 K。鉬及其合金具有熔點(diǎn)高、抗等離子體沖刷能力強(qiáng)、濺射產(chǎn)額低、高溫強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，并且熱膨脹系數(shù)和W、C比較接近，因此被看作新型PFMs[14,15]。Cottrell[16]還指出用Mo或Ta替代鎢作為第一壁材料可以有效避免因14 MeV中子輻照引起的相變導(dǎo)致的第一壁破裂。Mo-Ta合金是難熔體心立方（body centered cubic，bcc）合金[17]，其熔點(diǎn)理論計(jì)算值為2 783[18]，實(shí)驗(yàn)值為3 008 K[19]。除此之外，William Huhn等人的總結(jié)鉬（Mo）、鈮（Nb）、鎢（W）、鉭（Ta）組成的二元合金的生成焓時(shí)指出Mo-Ta合金的生成焓最低，為-186 meV/atom［20]，這在其他幾個(gè)難熔合金（Mo-Nb、Mo-W、Nb-Ta、Ta-W）的生成焓中是最低的，這意味著它相比其他Mo、Ta的合金具更穩(wěn)定，有更較強(qiáng)的鍵合作用，是制作面向等離子的第一壁材料的不錯(cuò)選擇。

目前面向等離子體第一壁材料與H雜質(zhì)相互作用研究中，有關(guān)雜質(zhì)H與Mo及其合金的研究目前還不完善。北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用第一性原理的方法，通過(guò)對(duì)Mo晶格施加外部應(yīng)力來(lái)研究應(yīng)變對(duì)Mo中H雜質(zhì)溶解的影響[21]。Yang等人使用Ta及其他過(guò)渡金屬原子替換Mo晶格中的Mo原子并引入點(diǎn)缺陷，來(lái)研究過(guò)渡金屬-缺陷-H原子的相互作用[22]。本文將基于第一性原理研究H雜質(zhì)與Mo-Ta晶格之間的相互作用結(jié)構(gòu)、溶解能、態(tài)密度、成鍵性質(zhì)，以進(jìn)一步理解H雜質(zhì)在Mo-Ta合金中的行為，為面向等離子體材料選取以及設(shè)計(jì)工作提供有益的數(shù)據(jù)。

1　模型與計(jì)算方法

1.1　模型的建立

在任何溫度下，Mo與Ta都能完全互溶，鉬與周期系中的ⅤB、ⅥB族難熔金屬（V、Nb、Ta、Cr、W）形成連續(xù)固溶體，Mo、Ta都是體心立方金屬，Mo和Ta所形成的Mo-Ta合金一般是有序置換的置換固溶體，并且也為體心立方結(jié)構(gòu)[23]。在Mo-Ta合金中，由于Mo和Ta可能具有多種不同的成分比例，為了更好的表現(xiàn)出H原子在Mo-Ta合金中的遷移特性并且盡可能的簡(jiǎn)化計(jì)算，需要選取足夠大、簡(jiǎn)單且具有良好對(duì)稱(chēng)性的超胞作為研究對(duì)象，因此本文選取3×3×3的超胞進(jìn)行研究，計(jì)算所采用的Mo53Ta1模型以3×3×3的體心立方Mo超胞為基礎(chǔ)，以一個(gè)Ta原子替換該超胞中的一個(gè)Mo原子而形成。為了使體系滿(mǎn)足高度對(duì)稱(chēng)性以簡(jiǎn)化計(jì)算，該替換位置選擇為3×3×3的體心立方超胞的最中心位置，如圖1所示。

圖1　3×3×3 Mo53Ta1晶格

1.2　間隙位置

H原子與Mo-Ta合金的相互作用結(jié)構(gòu)屬于間隙相，按照間隙類(lèi)型可以分為八面體型間隙相、三棱柱型間隙相、十面體型間隙相等[24]。間隙位置通常是晶體點(diǎn)陣中最大空隙的位置。對(duì)于Mo-Ta合金這種具有體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的金屬，其間隙相的間隙位置主要是八面體間隙位置（octahedral interstitial sites，OIS）和四面體間隙位置（tetrahedral interstitial sites，TIS）。八面體間隙位置是八面體型間隙相中由6個(gè)金屬原子構(gòu)成的八面體的中心位置；四面體間隙位置則是4個(gè)不在同一平面的金屬原子構(gòu)成的四面體的中心位置。相比于八面體間隙，四面體間隙是完全對(duì)稱(chēng)的，并且若圍成間隙的金屬原子完全相同，四面體間隙更大。間隙原子的引入通常會(huì)導(dǎo)致晶體的局部周期性遭到破壞，使晶體產(chǎn)生膨脹[25]。對(duì)于3×3×3的體心立方合金，其八面體間隙位置坐標(biāo)為：（0.500，0.500，0.333）、（0.333，0.500，0.333）、（0.167，0.500，0.333）、（0.500，0.500，0.000）、（0.333，0.500，0.000）、（0.167，0.500，0.000）、（0.000，0.500，0.000）；四面體間隙位置坐標(biāo)為：（0.417，0.500，0.333）、（0.250，0.500，0.333）、（0.166，0.417，0.333）、（0.083，0.500，0.333）、（0.417，0.500，0.000）、（0.250，0.500，0.000）、（0.166，0.417，0.000）、（0.083，0.500，0.000）。

圖2 （a）3×3×3 Mo53Ta1-H（TIS）；（b）3×3×3 Mo53Ta1-H（OIS）晶格。其中灰色為Mo原子，白色為T(mén)a原子，黑色為H原子

1.3　計(jì)算方法

本文研究采用Materials Studio 2017（17.1.0.48）的CASTEP（Cambridge Serial Total Energy Package）模塊計(jì)算[26]。交換關(guān)聯(lián)泛函采用廣義梯度近似（Generalized Gradient Approximation，GGA）的PW91泛函，使用超軟贗勢(shì)（Ultra-Soft Pseudo-Potentials，USPP）[27]，截?cái)嗄転?00 eV，k點(diǎn)3×3×3網(wǎng)格[28]，能量收斂精度為1×10-5eV/ atom，最大力收斂精度為0.3 eV/nm，最大應(yīng)變收斂精度為0.05 GPa，最大位移收斂精度為0.01 nm。

此外，我們使用Mulliken和Hirshfeld方法計(jì)算了電荷布居數(shù)。Mulliken布居是最早的原子電荷計(jì)算方法，基于波函數(shù)，它將軌道中的電子分為居于在原子軌道中的電子和軌道重疊區(qū)的電子兩部分，并將重疊區(qū)的電子平均分給相關(guān)原子軌道。Hirshfeld布居是基于電荷密度來(lái)定義原子電荷，并按權(quán)重將重疊區(qū)電荷進(jìn)行分配[29]。

2　結(jié)果與討論

2.1　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

H原子介入Mo-Ta合金，尤其是Mo53Ta1的不同位置的穩(wěn)定性差異與H原子與Ta原子的相互作用有很大關(guān)系。在Mo53Ta1中Ta原子的濃度較低，必須使H原子與Ta原子充分作用才能體現(xiàn)出Mo-Ta合金與H原子的作用效果。因此為了更好體現(xiàn)H原子介入Mo-Ta合金四面體間隙位置和八面體間隙位置的差異，選擇超胞中距離Ta原子最近的八面體間隙和四面體間隙作為比較H原子在Mo53Ta1中最穩(wěn)定位置的模型[30-31]，其坐標(biāo)分別為（0.500，0.500，0.333）和（0.417，0.500，0.333）。

表1　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的晶格常數(shù)

原子替換與雜質(zhì)介入均會(huì)使晶格發(fā)生畸變，這種變化主要體現(xiàn)在晶格的邊長(zhǎng)上，晶面夾角的變化很小，故探討體積變化時(shí)可以將a、b、g視作保持90°不變。通過(guò)計(jì)算各體系的的體積變化率發(fā)現(xiàn)，H原子在OIS位置時(shí)體系的體積變化率最大，為0.65%，其次是TIS位置時(shí)的0.61%。這一體積變化率與Fukai[32]提到的TIS間隙體積比OIS大相吻合，TIS更大的體積為H原子提供了更合適的空間，使得體積變化率更小。一般來(lái)說(shuō)，晶格發(fā)生畸變需要吸收能量，從而導(dǎo)致整個(gè)體系能量上升，穩(wěn)定性下降。相比與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Mo53Ta1晶格，H原子介入OIS位置的結(jié)構(gòu)在a軸和b軸方向有著微小的“壓縮”效果，而在［0 0 1］方向有著明顯的“拉伸”效果。雖然計(jì)算的所有體系的晶格畸變都不是各向同性的，但是H原子介入OIS位置的結(jié)構(gòu)的不同方向畸變的差異顯然要大很多。H原子的坐標(biāo)選為（0.500，0.500，0.333）的緣故，該位置在連線沿［0 0 1］方向的Ta原子與Mo原子的中間，并且與這兩個(gè)原子的距離比圍成八面體的其他四個(gè)原子的距離近。在這里插入H原子后，彈性作用使得這兩個(gè)原子的間距增大到了35.33 nm，而未插入前這個(gè)間距只有31.76 nm。因此在這個(gè)位置插入H原子后會(huì)導(dǎo)致沿［0 0 1］方向的晶格常數(shù)變大的程度明顯大于其他兩個(gè)方向上晶格常數(shù)變化的程度。

2.2　溶解能

溶解能是原子溶入合金時(shí)整個(gè)體系所吸收或釋放的能量，它能反映體系的穩(wěn)定程度，從而進(jìn)一步得出H原子在Mo-Ta合金中占據(jù)位置的傾向。我們通過(guò)計(jì)算H原子在Mo-Ta合金中不同間隙位置的溶解能來(lái)確定H原子所處的間隙位置。通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

其中為溶解能，為含H體系的總能，為不含H體系的總能，為單個(gè)H原子的能量。其中計(jì)算得到Mo53Ta1的能量為-102 840.68 eV，H處于OIS的能量為-102 855.61 eV，H在TIS能量為-102 856.09 eV，二分之一H2能量為-15.828 eV。最后由式（1）計(jì)算出H原子在OIS和TIS兩個(gè)位置時(shí)體系的溶解能分別為0.898 eV和0.418 eV，這說(shuō)明H原子在Mo-Ta合金中傾向于占據(jù)TIS位置。

圖4　Mo53Ta1-H體系中原子的分態(tài)密度圖，（1）為H處于OIS位置，（2）為H處于TIS位置。其中-s，-p，-d分別為電子軌道，-n，-f分別為離中心Ta原子最近和最遠(yuǎn)。

2.3　態(tài)密度分析

分波態(tài)密度顯示H原子的態(tài)密度具有很強(qiáng)的局域性，H原子與周?chē)渌拥碾s化主要發(fā)生在能量約-8 eV處。H原子的1s軌道與Ta原子的5p軌道在該能量范圍內(nèi)發(fā)生了明顯的sp雜化，但H原子在TIS位置相比于在OIS位置，此處H原子的1s軌道與Ta原子的5p軌道的雜化顯然要弱一些。除此之外，在該能量區(qū)間內(nèi)，Ta原子的6s和5d軌道也存在部分貢獻(xiàn)。與H原子最鄰近的Mo原子與H原子也在這個(gè)能量范圍內(nèi)發(fā)生了sd雜化，這使得相比于離H原子最遠(yuǎn)的Mo原子其d軌道態(tài)密度在大約2 eV處有略微的下降，并且對(duì)于TIS位置的H原子來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有與最鄰近Mo原子之間表現(xiàn)出相比OIS位置更強(qiáng)的雜化作用。此外與H原子最遠(yuǎn)的Mo原子沒(méi)有與H原子發(fā)生雜化，說(shuō)明H原子的與該晶格中的其他原子的成鍵作用有一定的局域性。Ta原子的態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)兩側(cè)存在著態(tài)密度峰并且費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度不為零，即在能級(jí)中存在贗能隙，這可以說(shuō)明H原子與Ta原子形成了較強(qiáng)的共價(jià)鍵。

溶解能的計(jì)算結(jié)果指出在H原子在Mo-Ta合金中傾向于占據(jù)TIS位置，該位置更加穩(wěn)定，意味著H原子與周?chē)拥碾s化理論上應(yīng)該更強(qiáng)。出現(xiàn)這種情況的原因可能是與H原子最鄰近的其他原子的數(shù)目不同。在OIS位置的優(yōu)化體系中，H原子與Ta原子以及最鄰近的Mo原子的距離分別是0.181 nm和0.172 nm，這兩個(gè)距離均比TIS位置優(yōu)化體系中H原子與Ta原子以及最鄰近Mo原子的距離?。?.195 nm和0.183 nm），但是TIS位置處H原子的最鄰近Mo原子卻有三個(gè)。因此雖然在TIS位置時(shí)H原子與其他單個(gè)原子的雜化不強(qiáng)，但與周?chē)拥碾娮釉浦丿B區(qū)域更大，這可能導(dǎo)致了H原子在該位置時(shí)更加穩(wěn)定。

2.4　布局分析

由電負(fù)性大小H＞Mo＞Ta可知，H原子周?chē)鷷?huì)匯聚大量負(fù)電荷，H周?chē)腗o會(huì)失電子，但Ta原子周?chē)布辛舜罅康呢?fù)電荷，這從電負(fù)性的角度有一些差異，這可能是因?yàn)镠-Ta原子間的鍵重疊布居數(shù)較大，存在很強(qiáng)的共價(jià)作用，使H周?chē)碾姾膳cTa共用導(dǎo)致。H獲得的電子大部分來(lái)自于Mo原子的4p軌道。由表2，表3可知，Ta原子的5p、5d、6s軌道全部得到了額外電子，并且主要體現(xiàn)在5d軌道上。兩個(gè)體系中與H原子鄰近的Mo原子基本上都帶有較多的正電荷，表明H原子與這些Mo原子之間存在著比較強(qiáng)烈的吸引作用。TIS位置H原子周?chē)鷰д姷腗o原子更多，說(shuō)明其與周?chē)鶰o原子有更強(qiáng)的鍵合作用，因此該體系更加穩(wěn)定，這與前文給出的結(jié)論相符。

表2　H在OIS位置馬利肯布居數(shù)

表3　H在TIS位置馬利肯布居數(shù)

續(xù)表

表4　H在OIS位置原子間鍵重疊布居數(shù)

表5　H在TIS位置原子間鍵重疊布居數(shù)

表6　H在OIS位置赫氏布居數(shù)

表7　H在TIS位置赫氏布居數(shù)

其中H原子位于OIS位置的體系中H原子與Ta原子之間的共價(jià)鍵更強(qiáng)。在H原子介入OIS位置的體系中，H原子與Mo10之間也存在著一定共價(jià)作用，但是鍵的強(qiáng)度不如H原子與Ta原子之間共價(jià)鍵的強(qiáng)度。H原子之所以能在此處形成這兩個(gè)共價(jià)性比較強(qiáng)的鍵，是因?yàn)檫@個(gè)八面體間隙位置前后左右是高度對(duì)稱(chēng)的，H原子只能在Ta和Mo10之間的狹小空隙內(nèi)馳豫，這導(dǎo)致H原子與這兩個(gè)原子之間的電子云重疊密度比較大，鍵具有較高的共價(jià)性。H原子與Mo27、Mo28、Mo32、Mo34之間存在程度較高的反鍵態(tài)結(jié)合，在H原子介入TIS位置的體系中，H原子與周?chē)鄶?shù)Mo原子也是反鍵態(tài)結(jié)合，但其強(qiáng)度不如OIS位置的體系的反鍵，電子填入反鍵軌道會(huì)使體系的穩(wěn)定性降低，因此H原子在TIS位置時(shí)體系更穩(wěn)定。表6，表7所示的Hirshfeld布居與Mulliken布居結(jié)果相似，不再贅述。

3　結(jié)論

本文通過(guò)基于密度泛函理論的第一性原理方法計(jì)算了Mo53Ta1合金的結(jié)構(gòu)以及雜質(zhì)H原子在該結(jié)構(gòu)中的部分行為。通過(guò)對(duì)八面體間隙位置（OIS）和四面體間隙位置（TIS）體系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及能量計(jì)算，推斷出H原子在Mo53Ta1合金中傾向于占據(jù)的間隙位置，并進(jìn)一步通過(guò)態(tài)密度、布居數(shù)研究了H原子在間隙位置與Mo53Ta1合金的成鍵性質(zhì)，主要結(jié)論如下：

（1） Ta原子替換和H雜質(zhì)原子介入都會(huì)對(duì)晶體的晶格造成不同程度的畸變。雜質(zhì)原子介入會(huì)導(dǎo)致Mo-Ta合金的晶格常數(shù)增大。H原子介入Mo-Ta合金OIS位置后其對(duì)最近鄰兩個(gè)原子的彈性作用會(huì)使該體系的晶格沿［0 0 1］方向發(fā)生明顯的伸展。H原子介入OIS位置后晶格體積的膨脹率也更大，意味這該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可能較差；

（2）通過(guò)計(jì)算H在OIS和TIS位置體系的溶解能得H原子在Mo-Ta合金中傾向于占據(jù)TIS位置；

（3）通過(guò)態(tài)密度與布居分析顯示，相比于Mo原子，H原子與Ta原子之間存在更強(qiáng)的共價(jià)作用。

[1] Jian-Cheng Liu.The Controlled Thermonuclear Fusion Hydrogen Energy-A Permanent Solution to the World's Energy Supply.2010，21（2）：93-96.

[2] 丁厚昌，黃錦華．受控核聚變研究的進(jìn)展和展望［J］．自然雜志，2006（03）：143-149.

[3] 黃學(xué)龍，信敬平，毛小東，等．1.61dpa/300 ℃中子輻照后CLAM 鋼的硬化和脆化行為［J］．核科學(xué)與工程，2018，38（2）：225-230.

[4] 許增裕．聚變材料研究的現(xiàn)狀和展望［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2003（S1）：105-110.

[5] Ulrich Samm.Controlled thermonuclear fusion at the beginning of a new era［J］．Contemporary Physics，2003，44（3）.

[6] 丁孝禹，李浩，羅來(lái)馬，等．國(guó)際熱核試驗(yàn)堆第一壁材料的研究進(jìn)展［J］．機(jī)械工程材料，2013，37（11）：6-11.

[7] 周張健，鐘志宏，沈衛(wèi)平，等．聚變堆中面向等離子體材料的研究進(jìn)展［J］．材料導(dǎo)報(bào)，2005（12）：5-8+12.

[8] 呂廣宏，羅廣南，李建剛．磁約束核聚變托卡馬克等離子體與壁相互作用研究進(jìn)展［J］．中國(guó)材料進(jìn)展，2010，29（07）：42-48.

[9] D.Y.Jiang，C.Y.Ouyang，S.Q.Liu.The effect of titanium（Ti）doping on hydrogen incorporation in tungsten（W）：First-principles calculations［J］．Fusion Engineering and Design，2017，121.

[10] Xiao-Chun Li，F(xiàn).Gao，Guang-Hong Lu.Molecular dynamics simulation of interaction of H with vacancy in W［J］．Nuclear Inst.and Methods in Physics Research，B，2009，267（18）.

[11] Ye M Y，Takamura S，Ohno N.Study of hot tungsten emissive plate in high heat flux plasma on NAGDIS-I［J］. Journal of Nuclear Materials，1997，241（1）：1243-1247.

[12] Ye Minyou. Effects of Low Energy and High Flux Helium/ Hydrogen Plasma Irradiation on Tungsten as Plasma Facing Material［J］．Plasma Science &；Technology，2005（03）：2828-2834.

[13] 中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)．中國(guó)鉬業(yè)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2013：4-6.

[14] 張小鋒，劉維良，郭雙全，等．聚變堆中面向等離子體材料的研究進(jìn)展［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（03）：118-119.

[15] 淡新國(guó)，黃先明，郭讓民，等．聚變堆中面向等離子體的鉬板材制備工藝研究［J］．中國(guó)鉬業(yè)，2014，38（01）：50-53.

[16] G.A.Cottrell.Sigma phase formation in irradiated tungsten，tantalum and molybdenum in a fusion power plant［J］. Journal of Nuclear Materials，2004，334（2）.

[17] Blum V，Zunger A.Prediction of ordered structures in the bcc binary systems of Mo，Nb，Ta，and W from first- principles search of approximately 3，000，000 possible configurations［J］．Physical Review B Condensed Matter & Materials Physics，2005，72（2）：104.

[18] De Coss，R.，Aguayo，A.，& Murrieta，G.（2000）. First- Principles Calculations of Electronic Structure and Structural Properties for MoV，MoNb，and MoTa.MRS Proceedings，646，N5.33.1.

[19] Huhn W，Widom M.Prediction of A2 to B2 Phase Transition in the High Entropy Alloy Mo-Nb-Ta-W［C］//APS March Meeting 2014.American Physical Society，2014.

[20] Moseley P T，Seabrook C J.The crystal structure of β-tantalum［J］．Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry，1973，29（5）：1170-1171.

[21] Han，Quan-Fu，et al. “Applying isotropic strain on Mo to predict H solution behaviors for nuclear energy application: Temperature dependence.” International Journal of Hydrogen Energy 43.7（2018）：3750-3760.

[22] Yang，Kun Jie，et al. “First-principles simulation of H interacting with transition elements in molybdenum for nuclear material application.” Journal of Nuclear Materials 541（2020）：152437.

[23] 李玉清，劉錦巖．高溫合金晶界間隙相［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1990：51-85.

[24] 陳繼勤，陳敏熊，趙敬世．晶體缺陷［M］．浙江：浙江大學(xué)出版社，1992：3-7.

[25] Payne M C，Arias T A，Joannopoulos J D.Iterative minimization techniques for ab initio total-energy calculations：molecular dynamics and conjugate gradients［J］．Reviews of Modern Physics，1992，64（4）：1045-1097.

[26] Segall M D，Lindan P J D，Probert M J，et al. First- principles simulation：ideas，illustrations and the CASTEP code［J］．Journal of Physics Condensed Matter，2002，14（11）：2717-2744.

[27] Vanderbilt.Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism.［J］．Physical review.B，Condensed matter，1990，41（11）.

[28] Monkhorst H J，Pack J D.Special points for Brillouin-zone integrations［J］．Physical Review B，1976，13（12）：5188-5192.

[29] 盧天，陳飛武．原子電荷計(jì)算方法的對(duì)比［J］．物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28（01）：1-18.

[30] Y.Fukai，The Metal-Hydrogen System，second ed.，springer，Berlin，2005，p.16.

[31] Qin，Jiayao，et al.“First-principle investigation of hydrogen solubility and diffusivity in transition metal-doped vanadium membranes and their mechanical properties.”Journal of Alloys and Compounds 805（2019）：747-756.

[32] Y.Fukai. The Metal-Hydrogen System：Basic Bulk Properties. Berlin，Heidelberg，Springer.2005.

Study on the Bonding Mechanism of H Impurity in the Mo-TA Lattice

CAI Zongjian1，LIU Rui2

(1. Guangzhou College of Technology and Business, Guangzhou of Guangdong Prov. 510000, China;2. School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan of Shandong Prov. 250358, China)

As a kind of material with high melting point and anti-irradiation, the Mo-TA alloy is regarded as a potential material for making the first wall in fusion engineering. At present, the study on the interaction between the Mo-Ta alloy and H impurity is not perfect. In this paper, the bonding mechanism of H impurity in body centered cubic Mo53Ta1 alloy is studied. The solution energy, density of states and population of Mo53Ta1-H system were calculated by CASTEP module of the Material Studio. The calculated results of solution energy show that H atoms are more likely to exist in the tetrahedron interstitial sites in the Mo-Ta alloy. The electron transfer between different electron orbitals of H, Mo and Ta and the bonding between different atoms are analyzed by means of density of states and population. It is concluded that Mo and Ta are metal bonds, H has covalent interaction with Ta and Mo, and the covalent interaction between H and Ta is stronger

First principle; Plasma facing materials; Mo-Ta alloy; H impurity; Bonding mechanism

TL99

A

0258-0918（2021）06-1332-09

2021-03-05

廣州工商學(xué)院人文社科類(lèi)校級(jí)科研項(xiàng)目《習(xí)近平強(qiáng)軍思想引領(lǐng)下高校國(guó)防教育中大學(xué)生革命戰(zhàn)斗精神的培育與研究》（KA202015）

蔡宗堅(jiān)（1983—），廣東陽(yáng)江人，講師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事軍事學(xué)和核科學(xué)方面研究