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    1. MedeA案例二十七:在環境保護中的應用——四方硫鐵礦拉曼分析及第一性原理研究

      2017-11-16 16:07:57 來源:源資科技市場部

      新聞摘要:最近研究發現,四方硫鐵礦可通過吸附機理固定重金屬原子,四方硫鐵礦也能通過非生物還原金屬污染物如鉻和硒,四方硫鐵礦在整治污染場地中起至關重要的作用;另外四方硫鐵礦也可用來吸附海洋環境中的汞。本案例中,作者制備了四方硫鐵礦晶體,并對其進行了拉曼譜圖分析,同時與第一性原理計算得到的拉曼結果進行對比研究。在第一性原理計算部分,作者采用MedeA-VASP模塊研究了四方硫鐵礦的結構;采用MedeA-Phonon模塊研究了四方硫鐵礦的頻率及聲子色散譜。


      1.研究背景
            最近研究發現,四方硫鐵礦可通過吸附機理固定重金屬原子,四方硫鐵礦也能通過非生物還原金屬污染物如鉻和硒,四方硫鐵礦在整治污染場地中起至關重要的作用;另外四方硫鐵礦也可用來吸附海洋環境中的汞。本案例中,作者制備了四方硫鐵礦晶體,并對其進行了拉曼譜圖分析,同時與第一性原理計算得到的拉曼結果進行對比研究。在第一性原理計算部分,作者采用MedeA-VASP模塊研究了四方硫鐵礦的結構;采用MedeA-Phonon模塊研究了四方硫鐵礦的頻率及聲子色散譜。


      2.建模與計算方法
            本案例中,作者通過Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了空間群為P4/nmm的FeS。接著,采用MedeA-VASP模塊中的GGA-BLYP泛函及Grimm范德華力修正對FeS進行結構優化。對于優化好的結構,采用MedeA-Phonon模塊對2x2x2的超胞進行聲子計算,分析了四方硫鐵礦的拉曼頻率及聲子色散曲線。


      3.結果與討論
      3.1四方硫鐵礦晶體結構及聲子色散曲線

       

      圖1  FeS結構的聲子色散曲線

        作者采用MedeA-VASP模塊對FeS單胞進行結構優化,晶格參數為a=3.61?, c=4.95?。然后,作者采用MedeA-Phonon模塊計算了FeS在0K及0Pa下的聲子色散曲線,如圖1。由圖1可以發現沒有虛頻,說明此結構是穩定的。在最低能量處的三種聲模與同向原子位移相關。在最低能量G點處,簡并模沿GM和GX方向分成了三支,沿GZ方向分成兩支。較高能量處呈現出3N-3的光學模式,與異相原子位移相關。

      表2   DFPT及直接法計算值和實驗值,頻率單位是cm-1,拉曼模式為加粗,紅外模式為斜體

       

       

      圖2 四方硫鐵礦振動模式

        隨后,表1給出采用DFPT及直接法計算的聲子頻率結果及與實驗值的對比分析。圖2給出了不同模式B1g (225cm-1)、Eg (243cm-1)、A1g (388cm-1)、Eg (396cm-1)下FeS的振動模式。其中,DFPT與直接法數值差別最大的即為B1g模式,DFPT計算值為248 cm-1,直接法數值為225 cm-1,實驗值為228 cm-1,對稱性分析認此模式屬于B1g模式。B1g模式源于Fe原子沿c軸方向的平移。Eg模式計算值是243 cm-1(DFPT計算值是248 cm-1),可認為是Fe和S原子沿[110]和[10]方向的異相徑向平移,也因此導致FeS4四面體角度變形。A1g模式為S原子沿著平行c軸方向移動。第二個Eg模式為同向徑向位移而導致一種呼吸模式,如圖2。


      4.總結與展望
            本案例中,作者通過第一性原理研究了四方硫鐵礦結構及聲子頻率,理論值與實驗值較吻合,加深了對四方硫鐵礦的認識。本案例的研究具有非常重要的科學意義,為日后進一步研究四方硫鐵礦的性質打下了堅實的基礎。


      參考文獻:
      Y. El Mendili, B. Minisini, A. Abdelouas, J. F. Bardeau. Assignment of Raman-active vibrational modes of tetragonal mackinawite: Raman investigations and ab initio calculations, RSC Advances, 2014, 4, 25827-25834


      使用MedeA模塊: 
      Welcome to MedeA Bundle
      MedeA-VASP
      MedeA –Phonon

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