IrCx、ReB2表面、OsN2缺陷和摻雜的第一性原理研究.pdf

1、過(guò)渡金屬與硼、碳、氮形成的化合物因其具有良好的導(dǎo)電性、高硬度和高熔點(diǎn)等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)成為近些年實(shí)驗(yàn)和理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)對(duì)具有良好熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的高硬度材料的需求不斷的增長(zhǎng)，最近實(shí)驗(yàn)合成的極難壓縮的PtN2、IrN2和OsN2與常壓下合成的ReB2便引起了人們極大的興趣。尤其是最近合成的ReB2，它不僅具有較高的硬度(實(shí)驗(yàn)報(bào)道的硬度為48GPa)，同時(shí)能夠在常壓高溫條件下即可合成，這表明在將來(lái)ReB2可能以較低的成

2、本進(jìn)行大規(guī)模地生產(chǎn)，在工業(yè)上可能有很好的應(yīng)用價(jià)值。5d過(guò)渡金屬具有高的價(jià)電子密度，因而具有極難壓縮性。對(duì)5d過(guò)渡金屬硼化物、碳化物和氮化物，人們做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。由于實(shí)驗(yàn)上很難獲得足夠大的單晶樣品，故物質(zhì)性質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)試受到限制。因此人們利用計(jì)算機(jī)對(duì)材料進(jìn)行理論上的模擬，通過(guò)第一性原理預(yù)測(cè)過(guò)渡金屬硼、碳、氮化合物，研究它們的性質(zhì)具有非常重要的意義。
　　 第一性原理計(jì)算不但可以解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)上未合成的化合

3、物。本論文首先運(yùn)用第一性原理方法，根據(jù)已經(jīng)合成的過(guò)渡金屬輕元素化合物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)了可能形成的銥的不同化學(xué)計(jì)量比的碳化物。在這些化合物中，具有鍺化銥結(jié)構(gòu)的碳化銥具有較大的彈性模量和彈性常數(shù)，而且這些化合物都是彈性穩(wěn)定的。其中，RhSn2結(jié)構(gòu)的IrC2具有最大的體彈模量，表明了它極難壓縮。對(duì)于鍺化銥結(jié)構(gòu)的碳化銥來(lái)說(shuō)，隨著碳含量的增加，它的剪切模量和G/B值也隨著增加，但是Ir4C5不符合這個(gè)規(guī)律。這是因?yàn)樗c所研究的其它碳化銥不同，它是一個(gè)具

4、有間接帶隙的半導(dǎo)體，這種絕緣性會(huì)對(duì)其彈性性質(zhì)產(chǎn)生正面的影響。TcP3結(jié)構(gòu)的IrC3和IrGe4結(jié)構(gòu)的IrC4具有較小的B/G的比值表明這兩種化合物都是脆性材料。計(jì)算結(jié)果表明具有IrGe4結(jié)構(gòu)的IrC4雖然不是能量最穩(wěn)定的卻是彈性性能最穩(wěn)定的導(dǎo)體，在我們所研究的碳化銥化合物中，它具有較高的體彈模量、最高的剪切模量和最小的泊松比。從以上這些物理性質(zhì)可以看出四方Ir4Ge5結(jié)構(gòu)的Ir4C5和三角IrGe4結(jié)構(gòu)的IrC4是具有較高的硬度。

5、>　　 用第一性原理方法，對(duì)ReB2(001)和(110)面各個(gè)終端的表面構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、以及表面能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。計(jì)算結(jié)果表明，與體相結(jié)構(gòu)相比，ReB2表面最頂端的兩層原子間的間距變小，而第二層和第三層間的間距卻增大了。(001)-BB和(001)-B終端的表面弛豫大于(001)-Re表面，這表明(001)-Re面沒有發(fā)生較大的弛豫，比其它面更加的穩(wěn)定。對(duì)于(110)表面，表面Re原子和B原子的位移不同并且第一層的Re原子更容易向

6、內(nèi)層移動(dòng)。優(yōu)化后，表面層上兩個(gè)相鄰B原子，以及Re原子和與它相鄰的B原子的共價(jià)鍵增強(qiáng)。弛豫后的表面能表明(001)-Re表面比其它表面更穩(wěn)定。
　　 通過(guò)第一性原理方法研究了氮缺陷和氧替代對(duì)OsN2結(jié)構(gòu)、彈性和電子結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)OsN2中存在氮缺陷或者氧替代時(shí)，它的體彈模量和剪切模量有所降低，這是由于結(jié)構(gòu)中N-N共價(jià)鍵的減少導(dǎo)致的。同時(shí)氧替代的結(jié)構(gòu)比氮缺陷結(jié)構(gòu)具有更大的剪切模量，這是由于Os-O共價(jià)鍵的出現(xiàn)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗剪切能力