新型六方超硬材料的第一性原理研究

【摘要】本文通过基于密度泛函理论以及微扰理论的第一性原理方法,计算研究w-BN、w-BC2N、r3m-B2CN及r3m-BC2n的晶格常数和弹性常数,并分析了声子色散关系。接着,在此基础上具体分析了材料的力学、光学和热学性质,以及力学与热学性质中存在的各向异性,全面地阐述了四种六方新型超硬材料的力学、光学与热学性质及变化规律,目的在于为实验合成此类超硬材料提供可靠的理论依据。第三章对w-BN、w-BC2N、r3m-B2CN及r3m-BC2n的电子结构进行了计算研究。计算结果表明：四种材料的能带结构均属于间接跃迁型半导体；r3m-B2CN的能带结构图形中一些价带穿过费米能级进入导带形成了自由电子,导致了其能带间隙最小,并说明存在导电性质。第四章研究了w-BN、w-BC2N、r3m-B2CN及r3m-BC2n力学性质,根据弹性常数,计算了四种材料的泊松比、弹性模量、弹性各向异性因子。计算结果表明：w-BN、w-BC2N、r3m-B2CN原子结合力是非中心力,而r3m-B2CN原子结合力为中心力；四种材料是弹性各向异性的；弹性模量的三维立体图形在每个面的形状不同以及不同晶向上的拉伸与剪切的应力应变曲线进一步说明四种材料的各向异性；r3m-B2CN各向异性程度非常大,并且三维杨氏模量图形呈现8字形状。第五章分析了w-BN、W-BC2N、r3m-B2CN及r3m-BC2N的光学性质。基于四种材料的复介电函数,具体计算了四种材料的光折射率、光吸收率、光反射率和损失函数。结果显示：四种超硬材料在高频能区内很难吸收光；r3m-B2CN能带结构中价带穿越了费米能级进入了导带,与态密度中p电子态穿越了费米能级形成自由电子相对应,这解释了r3m-B2CN不同于其它三种材料的光学性质,并且发现r3m-B2CN具有优异的光选择性能。第六章具体的阐述分析了w-BN、w-BC2N、r3m-B2CN及r3m-BC2N的热学性质。结果发现：v-BN、w-BC2N、r3m-BC2N具有良好的热稳定性；r3m-B2CN声子色散曲线跨越了零点进入负值区域,说明其热稳定性较差,在高温下将产生相转变；四种材料在高温条件下的多晶体系热导率最小值呈现各向异性,其中r3m-B2CN各向异性程度最大。通过对四种六方新型超硬材料的研究,我们发现w-BN、w-BC2N及r3m-BC2N在实验上的合成相对较容易,而r3m-B2CN的合成将会是个巨大的挑战(各项异性程度较大,热稳定性较差)。
【作者】敖靖；
【导师】陈志谦；
【作者基本信息】西南大学，材料学，2014，硕士
【关键词】第一性原理；超硬材料；力学性质；光学性质；热力学性质；

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