若干種新型材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算理論的完善,計(jì)算機(jī)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的模擬已經(jīng)逐漸脫離對(duì)物化實(shí)驗(yàn)的依附,成為一門(mén)獨(dú)立的交叉學(xué)科。本論文簡(jiǎn)單地介紹了計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展和主要研究方法,包括第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)?；谶@些計(jì)算方法,研究了若干材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等。本論文主要包括以下幾方面的內(nèi)容:
　　 一、利用第一性原理研究了IVA-V和IVB-V族化合物的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。由于在各種領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值,IVA-V族化

2、合物在過(guò)去幾十年中一直受到廣泛的關(guān)注。例如C3N4、SigN4和Ge3N4以較高的體積模量和較大的禁帶寬度著稱(chēng),在高性能的工程材料中有很高的應(yīng)用價(jià)值。近來(lái)C、Si、Ge、Sn等Ⅳ族元素的磷化物也逐漸被合成,它們具有3:4的化學(xué)計(jì)量比,被證實(shí)具有贗立方的結(jié)構(gòu)。IVB族的氮化物也是人們非常感興趣的材料。擁有3:4化學(xué)配比的IVB族氮化物具有Th3P4結(jié)構(gòu)。本論文采用第一性原理對(duì)具有穩(wěn)定贗立方結(jié)構(gòu)的Si3P4、Ge3P4、Sn3P4和立方結(jié)構(gòu)

3、的Ti3N4、Zr3N4、Hf3N4進(jìn)行了計(jì)算,得到了它們的能帶、態(tài)密度、體積模量、以及各種光學(xué)性質(zhì)譜線(xiàn)。結(jié)果表明贗立方結(jié)構(gòu)的A3P4(A為Si、Ge和Sn)是間接帶隙的半導(dǎo)體,相比于他們的氮化物,磷化物具有較小的體積模量,并且沒(méi)有很大的各向異性。而立方結(jié)構(gòu)的M3N4(M為T(mén)i、Zr和Hf)也是間接小帶隙的半導(dǎo)體。對(duì)光學(xué)性質(zhì)的研究得到A3P4的飽和有效電子數(shù)隨著陽(yáng)離子的原子序數(shù)的增加而減小而M3N4則恰好相反。兩類(lèi)材料都具有較大的靜態(tài)介

4、電常數(shù),因此可望在未來(lái)的微電子行業(yè)中獲得應(yīng)用。
　　 二、理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了相變存儲(chǔ)材料Ge2Sb2Te5(GST)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展,對(duì)存貯介質(zhì)的要求進(jìn)一步提高,不僅讀寫(xiě)速度要快,而且必須有大的存儲(chǔ)密度和容量,而在其它光盤(pán)日趨達(dá)到存儲(chǔ)極限的時(shí)候,相變光盤(pán)受到越來(lái)越多的關(guān)注,成為下一代存儲(chǔ)技術(shù)首要的突破點(diǎn)。在眾多的相變存儲(chǔ)材料中,GST材料擁有很好的熱穩(wěn)定性、很高的晶化效率、以及具有很大數(shù)量的讀

5、寫(xiě)次數(shù)。工業(yè)上對(duì)GST的應(yīng)用是利用它的非晶結(jié)構(gòu)和立方亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)之間電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的差別進(jìn)行兩態(tài)存儲(chǔ),從而達(dá)到讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的目的。本論文對(duì)具有非晶結(jié)構(gòu)、立方亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和六角密堆積結(jié)構(gòu)的GST進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究。結(jié)果表明立方結(jié)構(gòu)具有半導(dǎo)體的性質(zhì),而六角結(jié)構(gòu)的GST更像金屬或簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體;立方結(jié)構(gòu)和六角結(jié)構(gòu)之間的反射率對(duì)比度雖然不及非晶結(jié)構(gòu)和立方結(jié)構(gòu)之間的差別那么明顯,但是仍然有可能作為存儲(chǔ)介質(zhì),這樣就提出了GST在非晶、立方和六角結(jié)構(gòu)三個(gè)狀

6、態(tài)之間實(shí)現(xiàn)“多態(tài)存儲(chǔ)”的可能性。
　　 三、液態(tài)Al60Cu40合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。非晶態(tài)的金屬玻璃和液態(tài)的金屬合金是材料科學(xué)中炙手可熱的研究課題。不同于晶體,無(wú)定形和液態(tài)結(jié)構(gòu)不具備長(zhǎng)程有序性。近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),無(wú)定形和液態(tài)結(jié)構(gòu)的短程和中程有序性對(duì)這些玻璃和液態(tài)材料的性質(zhì)起到了重要的作用。本文從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了液態(tài)Al60Cu40合金的微觀(guān)結(jié)構(gòu)隨液態(tài)溫度的變化。結(jié)果表明利用第一性原理的理論方法建立的模型可以很好的描述