外壓力下超硬材料BC-,2-N結構與理想強度的第一性原理研究.pdf

1、本論文主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，研究新型輕元素超硬材料BC2N，并計算其結構參數、電子能帶和理想強度、及其在外加壓力下的物理性質。 第一、二章簡單介紹了相關的研究背景與理論基礎知識。 第三章中我們結合總能和動力學聲子的計算，研究不同立方相BC2N在外加壓力下的結構相變和穩(wěn)定性。首先證明了不同的初始材料形式可以導致截然不同的合成途徑，產生出最終的產物有著完全不同的物理性質。一種沒有B－B鍵和N－N鍵的高

2、密度立方相BC2N在高壓下顯示了出眾的結構穩(wěn)定性，而一種包含斷裂N－N鍵的低密度低對稱性相則經歷一個顯著的結構變化過程：隨著壓力的增加，體積和鍵長都發(fā)生坍縮并伴隨著從半金屬到半導體的轉變，且先是間接帶隙然后是直接帶隙。該工作還澄清了合成和描述BC2N中一個疑惑的實驗情形，通過聲子色散和聲速的計算結果同布里淵散射實驗相比較，有力地確定了Solozhenko實驗中得到的就是該低密度相結構。這些結果提供了對于立方相BC2N在高壓下的表現的全面

3、理解，并揭示了立方相BC2N的一些能在實驗中加以驗證的有趣性質。 由于實驗合成的低密度立方相BC2N在納米壓痕硬度測量中顯示了驚人的高硬度，這和它的低彈性模量形成鮮明的對比。在第四章中，我們通過第一性原理計算，同時考慮了硬度實驗中壓頭下雙向應力(垂直和切向應力)的影響，證明了這個奇特的現象可以歸因于一種壓頭下的壓力導致的結構硬化機理。它顯著地加強了連接切變面上的弱原子鍵，極大地增強了切變強度。雙向應力狀態(tài)下產生的原子結構斷裂模式

4、在性質上不同于那些純切變應力下的情況。這些結果對低密度立方相BC2N在多種實驗中顯示的看似矛盾的結果首次提出了一個統(tǒng)一的理論解釋。該工作對利用納米刻壓技術研究材料硬度提供了一種可靠的理論計算方法。 第五章中我們檢驗兩種高密度相BC2N在立方和石墨型結構之間的轉變以及它們的相對穩(wěn)定性，這兩種高密度立方相BC2N在一個大范圍的靜壓力下有幾乎相同的晶體結構、晶格常數、熱力學和晶格動力學性質以及狀態(tài)方程。通過計算BC2N立方(或石墨型)

5、結構沿不同晶體方向上鍵的斷開(或形成)的能量勢壘，可以清楚地區(qū)分這兩種相，由此對實驗合成的高密度立方BC2N的結構排布提供了重要的見解。我們還確定了一種石墨型結構作為合成高密度立方相的一種可能初始物，由它可以合成所有立方BC2N結構中具有最大強度的立方BC2N結構。 第六章中我們首先建立了多種層狀石墨結構BC2N的可能的堆垛形式，然后確定了四種穩(wěn)定的平衡結構，并計算其電子能帶結構。計算結果清楚地表明了層狀石墨結構BC2N間接帶隙