過渡金屬二硼化物(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)中廣泛應用于國民經(jīng)濟各部門。硼化合物大多耐高溫、耐磨,其中許多化合物具有獨特的物理化學性質。隨著超導臨界轉變溫度(Tc)39K的二硼化鎂(MgB2)的發(fā)現(xiàn),引起了物理學界對硼化物的極大關注。其中A1B2型金屬二硼化物因為具有良好的物理化學性質,如高硬度、高熔點、高抗氧化能力、半金屬性、優(yōu)良的導電性等特點而被廣泛研究。特別是在2010年石墨稀的研究獲得了諾貝爾物理獎以后,人們對類石墨烯的硼片也產生了興趣。但是由于硼

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

3、研究內容及結果如下:(1)優(yōu)化后的結構基礎上計算并分析了理想二硼化物晶體的能帶結構和態(tài)密度。通過對能帶結構和態(tài)密度的分析,理想MB2晶體的能帶結構在費米面處均無帶隙,其塊材性質表現(xiàn)出良好的金屬性,即良好的導電性質。由態(tài)密度分析得到這幾種二硼化物的化學穩(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具有最高的化學穩(wěn)定性。(2)對一MB2(M=Sc,Y,V,Nb,Cr

4、,Mo)(0001)表面的第一性原理計算結果表明:首先,對于表面結構充分弛豫后,表面電子只有重新分配才能達到更穩(wěn)定的結構。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,當原子層數(shù)達到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勢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