單鍵立方相氮的第一性原理研究.pdf

1、本文利用基于密度泛函的第一性原理計算軟件CASTEP，詳細研究了一類全新的、以單鍵形式相結合的氮材料—單鍵立方相氮（single-bonded cubic form of nitrogen），也即立方偏轉結構的氮（cubic gauche，cg-N）。這種單鍵立方相氮是在115GPa的高壓和2000K的高溫下，直到最近才在實驗上首次制備成功的。單鍵立方相氮具有奇異的性質并有巨大的潛在應用價值。然而目前幾乎還沒有針對其基本的物理性質，如力

2、學、光學等的研究，因此在本論文中我們對其基本的物理性質，即力學性質，光學性質和晶格動力學及相關的熱學特性展開了研究。 在對cg-N的力學性質的研究工作中，我們首先討論了單鍵立方相氮在不同壓強下的穩(wěn)定性，發(fā)現單鍵立方相氮在0壓下是一種亞穩(wěn)結構，在壓強高于60GPa 時是穩(wěn)定結構。然后我們對在0-600GPa壓強范圍內的單鍵立方相氮的內部參數x和帶隙的變化展開了討論，隨著壓強的升高，x逐漸減少，這意味著單鍵立方相氮在足夠高的壓強下有

3、可能變?yōu)楹唵瘟⒎浇Y構。有趣的是cg-N的帶隙也隨壓強的升高而變小。我們預測在680GPa時，帶隙消失，發(fā)生一個非金屬到金屬的相變。最后，我們對力學性質展開了系統(tǒng)地研究，并得到了一些基本的力學常數，如體模量，楊氏模量等。根據我們的計算結果，我們認為單鍵立方相氮是一種堅硬的材料。對單鍵立方相氮的彈性常數和彈性各向異性隨壓強的變化我們也進行了討論。發(fā)現單鍵立方相氮在我們所討論的壓強范圍內滿足力學穩(wěn)定性的一般要求，并且在約75GPa時，變?yōu)閺椥?/p>

4、各向同性。 在對光學性質的研究工作中，我們首先討論了cg-N的能帶結構和態(tài)密度分布。我們發(fā)現導帶主要來自N的2p軌道的貢獻，價帶的-25.61eV到-15eV部分主要由N的2s軌道貢獻，而價帶的-15到-8.57eV和-5.69到0eV卻主要是由N的2p軌道構成。接下來我們計算了其介電函數，吸收系數、能量損失譜、反射率、折射率指數和傳導率等光學常數。同時我們把金剛石的光學常數列出來并作了全面的比較。我們發(fā)現單鍵立方相氮和金剛石一

5、樣是一種寬帶隙的光學材料，然而其它的光學性質兩者卻有明顯的差異。 在對單鍵立方相氮進行晶格動力學及相關的熱學性質的研究中，我們首先得到了其聲子的色散關系及相應的態(tài)密度。我們發(fā)現在Γ點有三條聲學支，9條光學支。所有的9條光學支均為拉曼活性模，其中三重簡并的模同時還為紅外活性模。通過對聲學支的分析我們得出了橫波和縱波的聲速分別為9.38和11.54km/s。接著我們對其熱容和熱焓，自由能及熵進行了討論，并和金剛石的熱容作了比較。我們