VB过渡金属化合物电子结构性质的第一性原理研究

摘要

过渡金属二硼化物、碳化物和氮化物具有高熔点、高硬度、高耐磨损性和电子导电性好等特性,被广泛应用于切削刀具、用作硬质涂层和电子器件工业中。本文采用第一原理的方法对其结构、电子性质和弹性模量进行了一系列的理论计算和预测,为相关材料的设计和实际应用提供了一定的理论依据。
　　 报导了VB2的电子结构和弹性性质。从电子结构中可以看出,VB2中存在着共价键、离子键和金属键三种键。在态密度和Mulliken布居分析中,有赝能隙和电荷转移。各向异性参数表明了VB2在压缩和剪切上主要呈现出各向同性,各项异性程度较弱。
　　 对NbN固体的四种常见相的电子结构进行了研究,结果表明:零压力下相稳定次序为WC结构>NaCl结构>CsCl结构>hep结构。当外压力增加时,hep结构在200GPa以下的压力是稳定的；在166GPa会出现NaCl结构向CsCl的结构相变；在181GPa时,发生WC结构向CsCl结构的结构相变。预测了在更高的压强下,会出现由WC结构直接向CsCl结构的相变。
　　 研究了NaCl结构的非化学计量VNx和VyN的电子结构和弹性性质。通过建立超晶胞结构模拟不同浓度的有序空位,得出了晶格常数、体弹模量和形成能的变化规律。发现晶体结构由于空位的存在,在热力学上是不稳定的,且会在费米能级附近形成空位形成峰,同时有V-N键的破坏与新键的形成。
　　 对碳化钽TaC的(100)面清洁表面构型和电子结构进行系统研究。表明:弛豫之后有褶皱的表面能小于没有弛豫褶皱的表面能,表层Ta原子和C原子分别朝体相和真空方向位移,从而导致层间距的收缩。另外,从原子的局域态密度分析,表面性质主要是依靠第一层原子的贡献,而第二层原子向着体相接近。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

第一章 绪论

1.1 过渡金属二硼化物

1.1.1 过渡金属二硼化物概述

1.1.2 过渡金属二硼化物的晶体结构

1.1.3 过渡金属二硼化物的应用

1.1.4 过渡金属二硼化物的理论研究

1.2 过渡金属碳化物

1.2.1 过渡金属碳化物的概述

1.2.2 过渡金属碳化物的结构和性质

1.2.3 过渡金属碳化物的应用

1.2.4 过渡金属碳化物的理论研究

1.3 过渡金属氮化物

1.3.1 过渡金属氮化物的概述

1.3.2 过渡金属氮化物结构性质

1.3.3 过渡金属氮化物的的应用

1.3.4 过渡金属氮化物的理论研究

1.4 本文主要研究内容

第二章 第一性原理的计算方法

2.1.多粒子体系的Schr(o)dinger方程

2.1.1 非相对论近似

2.1.2 Born-Oppenheimer近似

2.1.3 轨道近似

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似

2.3 平面波赝势的方法

2.3.1 Bloch定理及波函数的平面波展开

2.3.2 正交化平面波

2.3.3 赝势

2.4 CASTEP基本原理与方法

2.4.1 赝势

2.4.2 平面波

2.4.3 快速傅里叶变换

2.4.4 自洽电子弛豫方法

第三章 VB2的电子结构和弹性性质

3.1 引言

3.2 计算模型及参数设置

3.3 结果和讨论

3.4 小结

第四章 压力诱导下NbN的结构相变

4.1 引言

4.2 计算模型及参数设置

4.3 结果与讨论

4.3.1 零压力下的相稳定性

4.3.2 高压下的相稳定性

4.4 小结

第五章 空位对VN晶体结构的影响

5.1 引言

5.2 计算模型及参数设置

5.3 结果与讨论

5.3.1 结构性质

5.3.2 态密度分析

5.3.3 化学键

5.4 小结

第六章 TaC的(100)面的电子结构研究

6.1 引言

6.2 计算模型及参数设置

6.3 结果与讨论

6.3.1 (100)面弛豫构型

6.3.2 (100)理想表面与弛豫表面的态密度分析

6.4 小结

第七章 全文总结和展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的主要论文及研究成果