過(guò)渡金屬二硼化物(0001)表面穩(wěn)定性的第一性原理研究.pdf

1、硼及其硼化合物在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。硼化合物大多耐高溫、耐磨,其中許多化合物具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。隨著超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc)39K的二硼化鎂(MgB2)的發(fā)現(xiàn),引起了物理學(xué)界對(duì)硼化物的極大關(guān)注。其中A1B2型金屬二硼化物因?yàn)榫哂辛己玫奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì),如高硬度、高熔點(diǎn)、高抗氧化能力、半金屬性、優(yōu)良的導(dǎo)電性等特點(diǎn)而被廣泛研究。特別是在2010年石墨稀的研究獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)以后,人們對(duì)類石墨烯的硼片也產(chǎn)生了興趣。但是由于硼

2、原子sp2軌道上缺少一個(gè)電子不易形成類石墨烯的單層硼片結(jié)構(gòu),因此轉(zhuǎn)而研究一些硼化物的塊材和表面性質(zhì)。本文利用第一性原理計(jì)算方法研究二硼化物塊材及(0001)表面,計(jì)算并討論了(0001)表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。所有計(jì)算采用廣義梯度近似下的平面波超軟贗勢(shì)方法,通過(guò)計(jì)算晶胞總能量并進(jìn)行幾何優(yōu)化,得到基態(tài)平衡模型,并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)晶體(0001)表面原子幾何弛豫、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、分態(tài)密度、電子布居、差分電子密度、表面能進(jìn)行計(jì)算分析,主要

3、研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上計(jì)算并分析了理想二硼化物晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。通過(guò)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的分析,理想MB2晶體的能帶結(jié)構(gòu)在費(fèi)米面處均無(wú)帶隙,其塊材性質(zhì)表現(xiàn)出良好的金屬性,即良好的導(dǎo)電性質(zhì)。由態(tài)密度分析得到這幾種二硼化物的化學(xué)穩(wěn)定性的情況,MB2(M=Sc,Y,V,Nb,Cr,Mo)這幾種化合物中,NbB2的Wocc/Wb值最接近1,所以NbB2具有最高的化學(xué)穩(wěn)定性。(2)對(duì)一MB2(M=Sc,Y,V,Nb,Cr

4、,Mo)(0001)表面的第一性原理計(jì)算結(jié)果表明:首先,對(duì)于表面結(jié)構(gòu)充分弛豫后,表面電子只有重新分配才能達(dá)到更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。MB2(0001)表面弛豫的變化程度不同,但是弛豫現(xiàn)象都主要集中在上面三層原子,當(dāng)原子層數(shù)達(dá)到7層后弛豫程度趨于收斂。其次,根據(jù)表面能判據(jù),Ⅲ族金屬二硼化物表面金屬終端表面更為穩(wěn)定;V族金屬二硼化物表面硼終端表面更穩(wěn)定;Ⅵ族金屬二硼化物表面在硼化學(xué)勢(shì)的更大的范圍上硼終端表面穩(wěn)定,從Ⅲ族金屬到Ⅵ族金屬二硼化物表面硼終端