ZrB2和ZrB12力学、晶格动力学和化学键合性质的第一性原理研究

摘要

硼化锆(ZrB2和ZrB12)具有陶瓷和金属的双重特性且具有高熔点、高硬度和优良的导电、导热和抗化学腐蚀等性能,是性能优异的高温陶瓷材料。虽然锆的这两种硼化物在技术方面已经得到广泛的应用,但是它们的物理化学性质没有得到系统的研究,一些基本问题(包括电子结构、成键的机制及声子振动模式等)还未获得解决。本论文使用基于密度泛函理论的第一性原理方法详细研究了ZrB2和ZrB12的基态原子结构、电子结构、力学性质和化学键合性质,并对ZrB12高压下的物性也做了详细分析。
　　首先,我们应用密度泛函理论对ZrB2和ZrB12平衡态时的电子结构、力学性质和晶格动力学性质进行了计算模拟。结果表明B原子层或者团簇的强共价键结合是这两种硼化物具有较好力学性质和动力学稳定性的根本原因。ZrB12在费米面附近的电子态密度明显比ZrB2的大得多,尤其是Zr的4dyzdxz态。ZrB12中Zr原子的低频振动比较明显,因此它的电声耦合效应比ZrB2强。另外,通过对两种硼化物电子结构的详细分析,我们定量描述了它们的化学键合性质和电离度。
　　另外,我们进一步研究了ZrB12在高压条件下的电子结构、力学性质以及热动力学性质。结果表明ZrB12的弹性模量、弹性波速和德拜温度等会随压强增加而增加,电子态密度在费米能级处的占据数会在加压条件下减小,锆原子低频振动会随加压在能量空间增大。这些结果表明ZrB12的超导转变温度会有一个负压效应,与实验结果相符合。根据计算所得的声子谱,我们还进一步分析了ZrB12的声子自由能、熵和热熔等热力学性质。

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Contents

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第一章 绪论

1.1 计算材料学

1.2 金属锆的研究进展

1.3 ZrB2的基本性质和研究近况

1.4 ZrB12的基本性质和研究近况

1.5 本课题的研究意义、思路和内容

第二章 第一性原理方法

2.1 历史简要

2.2 第一性原理计算的一般流程

第三章 ZrB2和ZrB12基态力学、晶格动力学及化学键的第一性原理计算

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果和讨论

3.4 结论

第四章 加压条件下ZrB12的电子结构、力学和热力学性质

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 计算结果

4.4 结论

第五章 结论与展望

5.1 总结

5.2 对今后工作的展望

参 考 文 献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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