5d过渡金属硼化物热、力学性质的第一性原理的研究

摘要

本文在综述目前超硬材料的研究现状、第一性原理的基本原理和方法的基础上,我们主要研究了过渡金属硼化物及其掺杂体系的物理性质。
　　采用CASTEP软件,研究了5d过渡金属二硼化物TMB2(TM=Hf-Au)的结构、热学、力学和电学性质。我们考虑了三种结构,分别为AlB2、ReB2和WB2结构。计算得到的晶格常数与先前的理论和实验值符合的很好。从HfB2到AuB2,生成焓的整体趋势是逐渐增加的。对HfB2和TaB2,AlB2结构是最稳定的;对WB2、ReB2、OsB2、IrB2和AuB2,ReB2结构是最稳定的;对PtB2,WB2结构是最稳定的。计算得到的总态密度显示所有结构都具有金属特性。对所考虑的结构,金属5d态和B-2p态具有强的杂化作用,表明5d金属原子与硼原子之间的成键主要是共价键。在所考虑的化合物中, ReB2结构的ReB2具有最大的剪切模量(295GPa),是最硬的化合物。
　　利用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了WB3的相稳定性和弹性性质。我们所研究的这两种结构在热力学上都是稳定的。WB3-AlB2和WB3-OsB3的生成焓随压强的增加而减小。WB3-AlB2的剪切模量比WB3-OsB3的要大,但是WB3-OsB3沿着C方向的轴向压缩率比金刚石的还要小。当压强为30GPa时, WB3化合物发生了相变,由AlB2结构转变为OsB3结构。WB3-OsB3是一种潜在的超硬材料。希望我们的研究能为进一步的实验研究提供有用的信息。
　　我们研究了用C原子取代WB2中的B原子,按12.5％的比例逐渐增加。因为在WB2中B原子占据不同的格位,所以我们用排列组合的方法分别将各个格位的B原子用C原子来替换。当C原子取代WB2中12.5%的B原子时,不论取代哪个格位的B原子所得的化合物的生成焓都为负值,即他们在热力学上都是稳定的。其中当C原子取代4f格位上的B原子时,生成焓最小是最稳定的结构。当C原子取代WB2中的25%的B原子时,计算所得的晶格常数与实验合成的WB2的晶格常数(a=2.983?,c=13.879?)相近。只有当C原子取代2d和4f格位与2b和4f格位上的B原子时,此时的生成焓才为负值,即只有这两种情况下所得的结构在热力学上是稳定结构。当C原子的取代超过25%时,所得的化合物在热力学上均不稳定。
　　我们也研究了Re原子替代WB4中的W原子所形成的新的化合物的热学性质。不论掺入Re含量的多少,生成焓都大于0,表明该类化合物在热力学上是不稳定的,在常温常压下很难制备,而且我们也可以看出当W1-0.125xRe0.125xB4(x=1,2,3,4)中x=1,3时晶体的空间群发生了变化。说明Re的掺入使得原来稳定的体系变得不稳定,将发生相转变。

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第一章 引言

1.1超硬材料的研究现状

1.2材料的力学性质及其稳定性

1.3论文选题的目的和意义

第二章 理论基础与计算方法

2.1电子态计算中的基本近似

2.2密度泛函理论

第三章5d过渡金属二硼化物的结构和热、力学性质的第一性原理计算

3.1研究背景

3.2计算方法及参数设定

3.3结果与分析

3.4结论

第四章 压力诱导相变及WB3力学性质的第一性原理研究

4.1研究背景

4.2计算方法及参数设定

4.3结果与分析

4.4结论

第五章 钨硼化合物固溶体置换的第一性原理的研究

5.1 研究背景

5.2 WB2的固溶体置换

5.3 WB4的固溶体置换

5.4结论

第六章 结论与展望

参 考 文 献

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