Structural, thermodynamic, electronic and elastic properties of Th1−xUxO2 and Th1−xPuxO2 mixed oxides

文献情報

出版日 2020-02-19
DOI 10.1039/D0CP00220H
インパクトファクター 3.676
著者

P. S. Ghosh, A. Arya


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要旨

The structural, thermodynamic, electronic, and elastic properties of Th1−xUxO2 and Th1−xPuxO2 mixed oxides (MOX) have been calculated with Hubbard corrected density functional theory (DFT+U) to account for the strong 5f electron correlations. The ideal solid solution is approximated by special quasi-random structures and the U-ramping method is used to account for the presence of metastable states in the self-consistent field solution of the DFT+U approach. The mixing enthalpy (ΔHmix) is positive throughout the composition range of the Th1−xUxO2 MOX, consistent with a simple miscibility gap (at low temperature) phase diagram. The behavior of the Th1−xPuxO2 MOX is more complex, where ΔHmix is positive in the ThO2-rich region and negative in the PuO2-rich region. Electronic structure analysis shows that substitution of Th by U/Pu in ThO2 leads to a reduction of the average Th–O bond lengths, causing distortion in the crystal structure. The distortion in the crystal structure results in an increase in the conduction bandwidth and a reduction of the band-gap in the MOX. Good agreement of our DFT+U calculated elastic properties of ThO2, UO2 and PuO2 compounds with experiments leads to convincing prediction of these properties for Th1−xUxO2 and Th1−xPuxO2 MOX.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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