IrB和IrB2、B-C体系化合物、WB2表面的第一性原理研究

摘要

超硬材料具有高硬度、耐磨、热稳定性能好,以及良好的散热速率和低热胀率等物理性能,在现代工业以及航天航空、微电子等高端技术领域得到了广泛的应用。传统合成的超硬材料是用硼、碳、氮、氧等轻元素组成的化合物晶体,具有代表性的是金刚石和立方氮化硼。但这类材料常常需要在高温高压条件下合成,其成本比较高。将过渡金属与硼、氮、碳等轻元素结合是人们寻找超硬材料的另一条途径。这类化合物具有较高的价电子密度和较强的方向性共价键,能够增强材料的力学特性。超硬材料良好的耐磨、耐腐蚀性和化学惰性,使它们在薄膜涂层方面也发挥了重要的作用。通过研究这类化合物晶体在不同环境下的氧化机理,以及沉积在不同基底上时的成键特征等特性,对于进一步理解这些化合物在薄膜和涂层方面的应用具有重要的意义。
　　IrB1.35纯相已经通过实验在真空条件下合成,测量其在负载是0.49 N下的维氏硬度是49.8 GPa,这个硬度值可与超硬材料ReB2的硬度值(49.9 GPa)相媲美。此外,厚度是0.4μm的IrB1.1薄膜沉积在SiO2基底上也被合成了出来,薄膜的维氏硬度达到43 GPa。本文利用CALYPSO软件结合第一性原理计算预测出了P1-IrB和P5-IrB2两种正交结构的化合物。其中P5-IrB2与实验上已经合成的OsB2有相同的晶体结构。通过计算P1-IrB和P5-IrB2的声子频谱图和弹性常量,我们发现它们的力学和动力学性质都稳定。对于P1-IrB,在压强超过5 GPa时,它和anti-NiAs-IrB发生了相转移。计算的P1-IrB, anti-NiAs-IrB和P5-IrB2的体弹模量很大,说明它们是潜在不可压缩材料。电子结构和化学成键分析表明这些化合物中形成的较强的共价键有助于增强它们的结构稳定性,提高它们的弹性模量。
　　利用第一性原理计算方法,本文研究了B-C体系化合物晶体的结构,并计算了它们的弹性性质、电子结构和化学成键特性。计算结果表明这些化合物的力学性质和动力学性质都是稳定的,且具有较高的体弹模量,是潜在的不可压缩材料。除B5C和BC4化合物外,其它化合物都具有较大的剪切模量(大于240 GPa),说明它们的抗剪切形变能力比较强,而且这些化合物的理论硬度都大于40 GPa,是潜在的超硬材料。计算的态密度结果表明B5C化合物显示半导体特性,其它化合物都显示金属性。电子局域函数分析表明B5C、B4C、B3C和B2C化合物中具有较强的B-C键和B-B键,且B-C键的电子局域密度值比 B-B键还要大。这些 B-C体系化合物优良的力学特性表明它们在超硬材料方面潜在的应用价值。
　　运用第一性原理计算方法,我们研究了WB2表面的表面自由能、结构弛豫和表面电子结构。表面自由能的计算结果表明(001)-BB面在所研究的B原子的整个化学势范围内能量最低,结构最稳定。(001)类型面相邻原子层之间的距离在结构弛豫之后与体相明显不同。(100)类型面的第一层 B原子与第二层原子之间的强烈反应导致第一层 B原子向内移动。(110)面第一层发生了最强的褶皱,而且第一层原子的位移最大。(100)和(110)面出现的褶皱主要是由于表面不饱和化学键以及不平衡原子之间的强烈反应造成的。表面电子结构的分析说明WB2表面的表面态主要是由表面第一层原子轨道的分波态密度形成的。

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第一章 绪论

1.1超硬材料

1.2 表面科学

1.3 本论文研究的内容和意义

参考文献

第二章 基本理论知识

2.1 第一性原理简介

2.2 局域密度近似（LDA）与广义梯度近似（GGA）

2.3 布洛赫（Bloch）定理

2.4单电子近似

2.5 弹性模量

2.6 表面自由能

2.7 表面弛豫和表面重构

2.8 计算与分析软件

参考文献

第三章 第一性原理研究IrB和IrB2的新型晶体结构

3.1引言

3.2 计算方法

3.3 结果和讨论

3.4 小结

参考文献

第四章 B-C体系化合物晶体的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果和讨论

4.4 小结

参考文献

第五章 第一性原理研究六角WB2的表面特性

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 结果和讨论

5.4 结论

参考文献

第六章 总结和展望

6.1总结

6.2展望

致谢

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