先進相變存儲材料和結(jié)構(gòu)材料的第一性原理研究.pdf

1、本論文旨在通過第一性原理方法從理論上研究先進相變存儲材料和結(jié)構(gòu)材料的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)。
　　 在第一章中，我們介紹了本論文工作的動機：為什么采用第一性原理方法以及為什么選擇此系列相變存儲材料和結(jié)構(gòu)材料作為研究對象?
　　 在第二章中，我們簡要論述了第一性原理方法的基本理論，涉及量子力學的基本概念和密度泛函理論，同時，也概述了一些本研究中采用的其他理論方法，如電子局域函數(shù)和聲子譜的計算方法。
　　 在第三章中，我

2、們研究了Ge5-xSbxTe5(x=0，1，2)和mInSb·nInTe(m=1，n=2or3)相變存儲材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和化學鍵。通過分析形成能、態(tài)密度和電子局域函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)的Ge4Sb1Te5的化學鍵特征和GeTe的非常類似，因此它們都只有一個立方晶相。由于Sb替換而額外引入的價電子，導致了Ge4Sb1Te5費米能級附近的能態(tài)變化。隨著Sb替換Ge的增加，Ge3Sb2Te5合金表現(xiàn)出明顯的金屬電導特征；同時，材料內(nèi)部的化學

3、鍵變得非常不均勻。進一步的，通過對mInSb·nInTe(m=1，n=2或3)系列相變合金的第一性原理總能計算，我們表明：晶態(tài)的In3Sb1Te2合金是個亞穩(wěn)態(tài)且可以分解成二元的InSb和InTe化合物；In4Sb1Te3比In3Sb1Te2能量上更容易獲得。通過分析電子局域函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)：相對于In4Sb1Te3合金中（In-Sb和In-Te鍵非常均勻），In3Sb1Te2合金中的化學鍵非常不均勻，這可能導致其容易發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)相變

4、，因此更適合做為相變存儲材料。通過這一系列相變合金的研究，我們希望本工作能對發(fā)展未來的相交儲存材料有一定的啟發(fā)。
　　 在第四章中，我們系統(tǒng)地研究了M3B4系列硼化物(M為ⅣB，ⅤB，ⅥB過渡族金屬元素，即Ti，V，Cr，Zr，Nb，Mo，Hf,Ta和W)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學性能、電子結(jié)構(gòu)以及化學鍵特征。所有被研究的Ta3B4構(gòu)型的過渡金屬硼化物在熱力學和力學上都是穩(wěn)定的。我們計算得到的晶格常數(shù)以及硬度和己報道的實驗數(shù)據(jù)符合得很好

5、。從計算得到的彈性常數(shù)，推導出了M3B4多晶顆粒的體模量、楊氏模量、剪切模量、泊松比、硬度和德拜溫度，同時討論了這系列硼化物中德拜溫度與硬度的關(guān)系。我們還通過分析Cauchy壓力、體模量與剪切模量的比值(K/G)和泊松比，揭示了過渡族金屬外層價電子對提高該系列硼化物韌性的重要作用。通過分析電子局域函數(shù)，從化學鍵的角度，我們認為M3B4系列硼化物中方向鍵特征的遞減使得Cauchy壓力增大，從而提高了它們的韌性。最后，我們通過計算聲子譜，進

6、一步證實了新預測的化合物Hf3B4和W3B4的穩(wěn)定性。
　　 此外，我們還研究了另一系列極難被壓縮的結(jié)構(gòu)材料——錸的碳化物和氮化物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學性能和電子結(jié)構(gòu)。計算所得到的晶格參數(shù)和力學常數(shù)與相應的實驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)符合得很好。通過分析這些化合物的電子結(jié)構(gòu)和電子局域函數(shù)，我們認為它們極難壓縮的機理在于：Re的5d軌道與C或N的2p軌道雜化（Re-N或Re-C鍵）以及Re的5d軌道與其自身的雜化（Re-Re鍵）增強了這些沿著c