先进相变存储材料和结构材料的第一性原理研究

摘要

本论文旨在通过第一性原理方法从理论上研究先进相变存储材料和结构材料的物理性质与化学性质。
　　 在第一章中，我们介绍了本论文工作的动机：为什么采用第一性原理方法以及为什么选择此系列相变存储材料和结构材料作为研究对象?
　　 在第二章中，我们简要论述了第一性原理方法的基本理论，涉及量子力学的基本概念和密度泛函理论，同时，也概述了一些本研究中采用的其他理论方法，如电子局域函数和声子谱的计算方法。
　　 在第三章中，我们研究了Ge5-xSbxTe5(x=0，1，2)和mInSb·nInTe(m=1，n=2or3)相变存储材料的结构稳定性、电子结构和化学键。通过分析形成能、态密度和电子局域函数，我们发现的Ge4Sb1Te5的化学键特征和GeTe的非常类似，因此它们都只有一个立方晶相。由于Sb替换而额外引入的价电子，导致了Ge4Sb1Te5费米能级附近的能态变化。随着Sb替换Ge的增加，Ge3Sb2Te5合金表现出明显的金属电导特征；同时，材料内部的化学键变得非常不均匀。进一步的，通过对mInSb·nInTe(m=1，n=2或3)系列相变合金的第一性原理总能计算，我们表明：晶态的In3Sb1Te2合金是个亚稳态且可以分解成二元的InSb和InTe化合物；In4Sb1Te3比In3Sb1Te2能量上更容易获得。通过分析电子局域函数，我们发现：相对于In4Sb1Te3合金中（In-Sb和In-Te键非常均匀），In3Sb1Te2合金中的化学键非常不均匀，这可能导致其容易发生晶态-非晶态相变，因此更适合做为相变存储材料。通过这一系列相变合金的研究，我们希望本工作能对发展未来的相交储存材料有一定的启发。
　　 在第四章中，我们系统地研究了M3B4系列硼化物(M为ⅣB，ⅤB，ⅥB过渡族金属元素，即Ti，V，Cr，Zr，Nb，Mo，Hf,Ta和W)的结构稳定性、力学性能、电子结构以及化学键特征。所有被研究的Ta3B4构型的过渡金属硼化物在热力学和力学上都是稳定的。我们计算得到的晶格常数以及硬度和己报道的实验数据符合得很好。从计算得到的弹性常数，推导出了M3B4多晶颗粒的体模量、杨氏模量、剪切模量、泊松比、硬度和德拜温度，同时讨论了这系列硼化物中德拜温度与硬度的关系。我们还通过分析Cauchy压力、体模量与剪切模量的比值(K/G)和泊松比，揭示了过渡族金属外层价电子对提高该系列硼化物韧性的重要作用。通过分析电子局域函数，从化学键的角度，我们认为M3B4系列硼化物中方向键特征的递减使得Cauchy压力增大，从而提高了它们的韧性。最后，我们通过计算声子谱，进一步证实了新预测的化合物Hf3B4和W3B4的稳定性。
　　 此外，我们还研究了另一系列极难被压缩的结构材料——铼的碳化物和氮化物的结构稳定性、力学性能和电子结构。计算所得到的晶格参数和力学常数与相应的实验数据和理论数据符合得很好。通过分析这些化合物的电子结构和电子局域函数，我们认为它们极难压缩的机理在于：Re的5d轨道与C或N的2p轨道杂化（Re-N或Re-C键）以及Re的5d轨道与其自身的杂化（Re-Re键）增强了这些沿着c轴拓扑排列的化学键；这些较强的方向键链在晶体三维空间曲折拓扑排列，使得它们极难压缩、具有很高的体模量。此外，我们还预测了一个在热力学、力学、动力学上都稳定的新化合物Re3C。