Si-C-N三元系中新型亚稳相的第一性原理研究

摘要

由Si、C和N元素所组成的二元化合物及三元化合物具有优秀的机械、化学和热性能，在实际工业生产中有广泛的应用。关于这类材料的实验与理论研究从未间断过，然而具有明确化学计量比和结构的Si-C-N化合物仍然非常少。本论文采用CALYPSO结构预测程序对SiCN和Si3N4进行了结构的预测，采用CASTEP第一性原理计算模块创建结构，并对预测和创建的结构进行稳定性判定，研究了亚稳相的能带结构，态密度，弹性模量以及理论维氏硬度。
　　采用CASTEP计算模块，通过对N原子在3C-SiC结构中取代C原子、取代Si原子以及占据第一类或第二类间隙位置的结构的计算，研究了N原子在3C-SiC结构中不同占位对结构稳定性的影响，及N原子的含量对SixCyNz的电子性质、弹性模量和维氏硬度的影响。结果显示仅当N原子取代C原子并且C原子被取代的比例为1/4和1/8时的结构是稳定的，由于与C原子相比，N原子的多一个外层电子，因此C原子被N原子取代后的结构具有电子导电的特性，而随着N原子比例的增加，硬度逐渐降低。
　　采用CALYPSO程序和CASTEP模块相结合的方法，预测了Si:C:N=1:1:1的SiCN的晶体结构，并与Kawamura所提出的c-SiCN结构进行了对比研究。发现与c-SiCN结构相比之下，本论文所预测的三个结构，不论是常压相t-SiCN，还是高压相o-SiCN和h-SiCN，在能量上都更具有优势。t-SiCN是一种具有窄带隙的超硬材料，o-SiCN和h-SiCN是具有空穴导电性的硬材料。
　　采用CALYPSO程序和CASTEP模块相结合的方法，预测了Si3N4的晶体结构，发现了两种能量介于稳定β相和高压γ相之间的结构t-Si3N4和m-Si3N4，以及一种相对于γ相的相变压力点为198GPa的更高压的相o-Si3N4。三种结构都是具有宽带隙的半导体，硬度与α、β和γ相的硬度相当，并且随着压力的增加而变高。随着压力的增加，在常压下都是脆性材料的三种结构的Si3N4，先后变成韧性材料。随着常压相向高压相的转变过程中，对于它们在零压下的弛豫结构中，每个原子的配位键数的逐渐增多，并且键长逐渐增长。
　　采用CASTEP计算模块以常压相中相类似的Si-N层为基础层，通过一系列的对称操作，构建了多种类β-Si3N4相的氮化硅结构，并对它们的形成焓、稳定性、各种性质进行了计算。由于α相中的原子层堆垛顺序ABCD(CD层为AB层的镜面反射层)与传统意义上的堆垛顺序有冲突，因此本论文对类β-Si3N4结构中的原子层的堆垛顺序进行了重新的定义。通过计算发现当结构满足相邻两Si-N层中仅有一层为镜面反射结构，并且相邻两Si-N层的中心N原子不位于同一c轴方向时的能量较低，但是这两个条件仅是能量较低的必要非充分条件。在众多的类β-Si3N4结构中，发现了一个潜在的δ相结构，其为α相的一半的结构，即α相中从上下两个方向看去的两个β相的相邻两Si-N层所组成的结构。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 Si-C-N体系中二元化合物Si3N4的研究概况

1.3 Si-C-N体系中三元化合物的研究概况

1.4 计算机模拟和计算方法简介

1.5 本论文的主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 基于3C-SiC结构的SixCyNz亚稳相的第一性原理研究

2.1 引言

2.2 计算参数选择

2.3 基于3C-SiC结构的SixCyNz亚稳相的第一性原理研究

2.4 本章小结

第3章 SiCN亚稳相的结构预测及性能的理论研究

3.1 引言

3.2 计算参数选择

3.3 SiCN亚稳相的第一性原理研究

3.4 本章小结

第4章 Si3N4亚稳相的结构预测及性能的理论研究

4.1 引言

4.2 计算参数选择

4.3 Si3N4亚稳相的第一性原理研究

4.4 本章小结

第5章 类β-Si3N4相的氮化硅亚稳相的结构及性能的理论研究

5.1 引言

5.2 计算参数选择

5.3 Si3N4亚稳相的第一性原理研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢