導(dǎo)電性超硬材料的第一性原理計(jì)算研究.pdf

1、本論文主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，計(jì)算研究導(dǎo)電性超硬材料的理想強(qiáng)度等物理性質(zhì)。導(dǎo)電性材料在國(guó)防、工業(yè)乃至日用生活中都有廣泛的應(yīng)用。在國(guó)防和工業(yè)應(yīng)用中還會(huì)對(duì)導(dǎo)電性材料的硬度或強(qiáng)度有較高的要求。研究設(shè)計(jì)超硬、超強(qiáng)的導(dǎo)電性材料具有重要的理論和實(shí)用意義。
　　 論文的第一、二章簡(jiǎn)單介紹了相關(guān)的研究背景與理論基礎(chǔ)知識(shí)。
　　 在第三章中，我們研究了由輕元素組成的導(dǎo)電性超硬材料類金剛石結(jié)構(gòu)的BC3(d-BC3)，計(jì)

2、算了d-BC3在不同應(yīng)變下拉伸與切變理想強(qiáng)度。對(duì)該材料的電子態(tài)密度計(jì)算結(jié)果顯示d-BC3不但在平衡結(jié)構(gòu)位置甚至在大尺度拉伸和切變形變下依然保持金屬性。通過(guò)計(jì)算分析d-BC3在各方向上的理想強(qiáng)度結(jié)果，比較得到最弱方向上的理想切變強(qiáng)度，從而確定d-BC3是一種迄今具有導(dǎo)電性的最硬超硬材料之一。為配合實(shí)驗(yàn)合成這種材料，我們又模擬了兩種層狀BC3的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。并指出其中一種層狀結(jié)構(gòu)可以通過(guò)跨越較低的勢(shì)壘合成類金剛石結(jié)構(gòu)d-BC3材料。
　

3、　 在第四章中，我們對(duì)Fe4N材料進(jìn)行了計(jì)算研究。Fe4N材料由于具有很高的飽和磁矩以及很高的硬度特別適用于需要耐磨磁性材料的應(yīng)用領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)高密度磁記錄設(shè)備的磁頭等等。由于在[001]方向上Fe和N原子的距離最近，可以形成較強(qiáng)的原子鍵，以往的理論和實(shí)驗(yàn)一般都認(rèn)為Fe4N結(jié)構(gòu)的(001)晶面具有最大的強(qiáng)度。我們對(duì)Fe4N結(jié)構(gòu)在各低指數(shù)晶面，如(001)、(011)、(111)、(112)面，完成了基于第一性原理的拉伸強(qiáng)度和切變強(qiáng)度計(jì)算

4、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(011)晶面具有比其它各晶面更好的機(jī)械性質(zhì)，(001)面的切變強(qiáng)度比其它晶面的切向強(qiáng)度值高出35％。我們的計(jì)算結(jié)果表明如果實(shí)驗(yàn)上能生長(zhǎng)高質(zhì)量單相(011)Fe4N薄膜，可以設(shè)計(jì)更理想的高密度記錄磁頭。
　　 在第五章中，我們計(jì)算研究了一種新型的特硬材料OsB2。由單純輕元素(B、C、N等)組成的(絕緣或?qū)щ?超硬材料的合成都需要極高的壓力和溫度，大規(guī)模生產(chǎn)需要很高的成本。近年來(lái)國(guó)外有研究小組提出利用過(guò)渡金屬和共價(jià)鍵輕

5、元素形成的化合物或許更加容易得到既導(dǎo)電又具有良好機(jī)械強(qiáng)度的新型超硬材料。一般來(lái)講，共價(jià)輕元素(B、C、N等)的共價(jià)鍵是很強(qiáng)的化學(xué)鍵，并且具有良好的方向性，可抵抗材料的切向形變；而過(guò)渡金屬元素的高密度價(jià)電子可使材料具有很高的體彈性模量，使材料結(jié)構(gòu)不易被壓縮。將共價(jià)元素?fù)饺氲竭^(guò)渡金屬中就是結(jié)合了兩種化學(xué)鍵的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓縮和切向形變能力，從而提高結(jié)構(gòu)的硬度。OsB2是第一批采用這種機(jī)制合成的樣品，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在(001)面上它的V

6、ickers硬度達(dá)到30GPa，高于一般的鋼鐵材料，有可能成為新型的鋼鐵器件的研磨切割工具，以及耐磨防腐涂層。但我們通過(guò)第一性原理計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)OsB2在一些晶面上的切向強(qiáng)度具有極大的各項(xiàng)異性，如(001)晶面上沿[010]方向的切向強(qiáng)度(約10GPa)只是[100]方向切向強(qiáng)度(約30GPa)的三分之一，OsB2并不適合用來(lái)設(shè)計(jì)新型的鋼鐵器件的研磨切割工具。我們的計(jì)算結(jié)果表明簡(jiǎn)單的硬度實(shí)驗(yàn)并不能精確地探測(cè)OsB2結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，設(shè)計(jì)新型

7、的超硬材料時(shí)應(yīng)特別注意研究材料在原子尺度的結(jié)構(gòu)畸變和失穩(wěn)模式。
　　 在第六章中，我們研究了刻痕硬度實(shí)驗(yàn)中壓頭下正壓力對(duì)材料硬度的影響。ReB2是過(guò)渡金屬和共價(jià)鍵輕元素化合物超硬材料的又一典型結(jié)構(gòu)。ReB2材料引起廣泛的注意是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這一材料可以在金剛石表面上留下劃痕，顯示出很高的(劃痕)硬度。但刻痕硬度實(shí)驗(yàn)卻顯示ReB2材料的維氏硬度只有20～30GPa，遠(yuǎn)低于金剛石的維氏硬度(約為100GPa)。為解釋這一現(xiàn)象，我們采用