超硬材料IrN2和BC5力学性质的第一性原理计算

摘要

随着材料科学的发展,超硬材料的研究已经成为当前热点之一。超硬材料具有高弹性模量和硬度,有较好的热传导性、抗划性、表面耐久力和稳定性等优异的性质,因而在工业各个领域中得到了广泛的应用。当前研究超硬材料的方法有二:过渡金属的C、B、N、O共价化合物;由C、B、N、O等轻元素组成的强共价键作用化合物。通过这两种方法以寻求可与金刚石和立方氮化硼相比拟的新型超硬材料。
　　 本文首先采用平面波赝势密度泛函理论方法计算了IrN2白铁矿相的晶体结构和弹性性质,同时分析了该材料的电子结构,所得弹性常数满足力学稳定性标准,与其他相关理论计算值和实验值符合较好。在零压下计算所得白铁矿相IrN2体模量为400GPa,可以间接预测白铁矿相的IrN2是一种超硬结构,同时计算得到的各向异性参数说明白铁矿相IrN2在研究压力范围内呈现各向异性,具有良好的延性和金属性。
　　 再次,使用同样的计算理论对0～60GPa静水压下BC5六角晶系P3m1和四方晶系I-4m2结构的平衡态晶格常数、弹性常数、弹性模量、弹性各向异性以及表征中心力和非中心力的泊松比与Cauchy扰动进行研究。所得结果显示,BC5的两种结构在高压下是稳定的,以及不可压缩性随着压强的增加而增强。通过对各向异性参数分析可知,压力的增加改变了P3m1结构的各向异性,使得其压缩波各向异性降低,剪切波的各向异性有所增强。通过对硬度的模拟计算,得到与实验结果相一致的结论。在对平衡结构和硬度的理论研究中无法对两种结果的不可压缩性进行比较,只有杨氏模量显示I-4m2结构的不可压缩性要高于P3m1结构。BC5的泊松比与Cauchy扰动随压强的变化说明原子间相互作用力为非中心力。另外,对其电子结构也进行了计算,由计算结果可知,BC5存在一个较宽的带隙,两种原子间有较强的共价杂化,材料的性质主要由B的2p1和C的2p2态电子共同决定。与其他BC化合物有明显的不同,成为可能在高温条件下应用的潜在的超硬材料。同时发现压力对材料的带隙和费米能级附近的态密度几乎没有影响,只引起微小的漂移,可以进一步推断材料在高压下具有较好的稳定性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 超硬材料的研究背景及现状

1.2 研究内容

1.2.1 高压下白铁矿相IrN2力学性质和电子属性

1.2.2 高压下BC5弹性性质和电子属性

第二章 计算理论基础和CASTEP程序包介绍

2.1 第一性原理计算方法的发展概述

2.1.1 多粒子体系的Schr(o)dinger方程

2.1.2 非相对论近似

2.1.3 Born-Oppenheirner绝热近似

2.1.4 Hartree-Fock近似

2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)

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 固体能带理论

2.4 赝势平面波法

2.4.1 模守恒赝势(Norm-Conserving)

2.4.2 超软赝势(Ultrasoft Pseudopotential)

2.5 自洽场计算

2.6 材料的物理性质

2.6.1 材料的空间群结构

2.6.2 弹性性质

2.6.3 电子态密度

2.6.4 材料的硬度

2.7 CASTEP软件介绍

第三章 高压下白铁矿相IrN2力学性质的第一性原理计算

3.1 引言

3.2 计算方法和模型

3.3 计算结果及讨论

3.3.1 力学性质

3.3.2 电子结构

3.4 本章小结

第四章 BC5弹性性质和电子属性的第一性原理计算

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 计算结果和讨论

4.3.1 平衡结构

4.3.2 力学性质

4.4 电子结构

4.5 本章小结

结语

参考文献:

致谢

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