第一原理研究六方氮化硼不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.pdf

1、氮化硼(BN)是一類重要的Ⅲ-Ⅴ族帶有離子性的共價(jià)化合物，具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，氮、硼原子采取不同雜化方式互相作用，可形成不同結(jié)構(gòu)的BN晶體，其中，h-BN是BN的幾種異構(gòu)體中最常見和最容易制備的結(jié)構(gòu)，B、N原子層狀排列，每一層中原子共價(jià)鍵結(jié)合，層與層之間依靠范德華力結(jié)合，由于h-BN的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成其一個(gè)重要的特征就是堆垛順序，X射線衍射已經(jīng)證實(shí)了h-BN鄰近位面各種形式的滑移和旋轉(zhuǎn)能導(dǎo)致不同的對(duì)稱型，而堆垛順序的穩(wěn)定性則影響了h-

2、BN的很多性質(zhì)，本文利用第一性原理平面波贗勢(shì)密度泛函方法，采用基于密度泛函理論“總體能量-膺勢(shì)平面波方法”的CASTEP總能計(jì)算程序軟件包，建立了h-BN五種堆垛模型(A、B、C、D、E)，研究了零溫零壓下h-BN五種堆垛結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)、電子結(jié)構(gòu)、彈性常數(shù)和聲子譜。從能量角度和電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)h-BN存在兩種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)A和D，一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)B，兩種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)C和E，且不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)都具有大的晶格參數(shù)c。并通過能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算預(yù)測(cè)了五種結(jié)構(gòu)的帶隙值，A

3、、B、C、D和E的帶隙值分別為3.9685eV、3.4047eV、3.5167eV、4.1550eV和3.4810eV，其中A、C、D和E為間接帶隙，B結(jié)構(gòu)為直接帶隙，B結(jié)構(gòu)的存在改變了h-BN的電子結(jié)構(gòu)，同時(shí)帶來了h-BN帶隙從間接帶隙到直接帶隙的關(guān)鍵性改變。而且，根據(jù)h-BN五種不同結(jié)構(gòu)總態(tài)密度和B、N原子分波態(tài)密度及Mulliken布局?jǐn)?shù)的分析更進(jìn)一步解釋了能帶結(jié)構(gòu)，同時(shí)得出各原子軌道上的電荷分布和成鍵關(guān)系，發(fā)現(xiàn)由于堆垛方式不同，

4、導(dǎo)致原子鍵長(zhǎng)及原子的電荷量發(fā)生變化。通過計(jì)算h-BN五種不同結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)，采用Born穩(wěn)定性準(zhǔn)則判據(jù)得出A、B、D三種結(jié)構(gòu)是彈性穩(wěn)定的，而C、E這兩種結(jié)構(gòu)是彈性不穩(wěn)定的。并與其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。同時(shí)我們還得出晶體體積的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的體彈模量和剪切模量的大小有一定的貢獻(xiàn)。根據(jù)聲子譜的計(jì)算，從晶格動(dòng)力學(xué)方面得出A、B、D三種結(jié)構(gòu)聲子振動(dòng)光學(xué)模的趨勢(shì)為正，標(biāo)志著其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這與其彈性穩(wěn)定性是相一致的，而C、E兩種結(jié)構(gòu)分別在布里淵區(qū)