新型功能材料高壓性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新的功能材料，對這些新型功能材料的研究受到了廣泛的關(guān)注。壓力作為一個(gè)重要的熱力學(xué)參數(shù)，對于調(diào)節(jié)材料的物理性能能起到重要的作用?；诖耍芯繅毫π滦凸δ懿牧辖Y(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的影響對于我們更好地了解和改善材料的性能以及設(shè)計(jì)和合成具有良好應(yīng)用前景的新材料都將起到重要的作用。本文運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法對幾種新型功能材料的高壓性質(zhì)進(jìn)行了研究。全文共分為八章。
　　第一章介紹了對新型功能材料高壓性質(zhì)進(jìn)行

2、研究的研究背景和意義；回顧了本文所關(guān)注的幾種新型功能材料的研究現(xiàn)狀。
　　第二章首先簡單介紹了采用贗勢平面波表述的第一性原理計(jì)算方法的基本原理。其次，對相變基本理論進(jìn)行了介紹，其中重點(diǎn)關(guān)注的是相變的分類、壓致相變的特點(diǎn)和高壓相的理論預(yù)測方法。
　　第三章對NaBH4在高壓下的結(jié)構(gòu)相變進(jìn)行了研究。本文的計(jì)算首次從理論上證實(shí)了 NaBH4高壓相的 BaSO4型結(jié)構(gòu)，并正確的預(yù)測到了實(shí)驗(yàn)上觀察到的從β-NaBH4（P421c）到γ

3、-NaBH4（BaSO4-type, Pnma）的相變，計(jì)算得到的相變壓力（9.66 GPa）與Kumar等人通過X射線衍射實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果（8.9 GPa）符合較好。最后，我們的研究還表明常溫下實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的從β-NaBH4到γ-NaBH4的高壓相變在低溫下也能夠完成，從而在一定程度上解決了以往理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的分歧。
　　第四章研究了Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）在高壓下的結(jié)構(gòu)相變、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。對結(jié)構(gòu)相變的

4、研究表明，在壓力作用下Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）將經(jīng)歷從反螢石結(jié)構(gòu)到反氯化鉛結(jié)構(gòu)，再到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的兩次結(jié)構(gòu)相變。對 Mg2C而言，從反螢石結(jié)構(gòu)到反氯化鉛結(jié)構(gòu)的相變是一級相變，而從反氯化鉛結(jié)構(gòu)到Ni2In型結(jié)構(gòu)的相變沒有發(fā)現(xiàn)體積突變是二級相變。對Mg2Si，Mg2Ge和Mg2Sn來說，兩次高壓結(jié)構(gòu)相變都是一級相變。四種材料在由反氯化鉛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的相變過程中，反氯化鉛結(jié)構(gòu)Mg2X（X=C, Si,

5、Ge, Sn）的晶格常數(shù)的變化表現(xiàn)出了明顯的非線性特征，這種現(xiàn)象可以認(rèn)為是相變的前導(dǎo)。對電子結(jié)構(gòu)的研究表明，Mg2C的帶隙寬度會隨壓力的增加而增加，與之相反Mg2Si，Mg2Ge和Mg2Sn的帶隙寬度會隨壓力的增加而減小，后三種材料在高壓下表現(xiàn)出了金屬的性質(zhì)。對光學(xué)性質(zhì)的研究表明，四種材料的光學(xué)性質(zhì)會隨壓力的增加而急劇變化。對Mg2C而言，壓力作用下介電函數(shù)虛部ε2的吸收峰會隨著帶隙寬度的增加而往高能級方向移動。而對Mg2Si，Mg2G

6、e和Mg2Sn來說，在高壓下ε2的譜線中出現(xiàn)了許多新的吸收峰。
　　第五章研究了壓力對CaMgX（X=Si, Ge, Sn）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的影響。通過理論計(jì)算我們成功地預(yù)測到了三種材料在壓力作用下從 pnma結(jié)構(gòu)到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的連續(xù)相變。對電子結(jié)構(gòu)的研究表明，常壓下 pnma結(jié)構(gòu)的 CaMgSi和CaMgGe表現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)；而pnma結(jié)構(gòu)的CaMgSn則表現(xiàn)出了金屬的性質(zhì)。壓力的作用將導(dǎo)致CaMgSi和CaMgGe

7、發(fā)生從半金屬到金屬的電子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。而CaMgSn的電子結(jié)構(gòu)對壓力不敏感，其主要變化是能帶寬度隨壓力的增大不斷增加。
　　第六章從理論上對實(shí)驗(yàn)上觀察到的TiS2高壓相的結(jié)構(gòu)作出了預(yù)測。結(jié)果表明， TiS2將經(jīng)歷一次從1T結(jié)構(gòu)到氯化鉛結(jié)構(gòu)的一級壓致相變。計(jì)算得到的相變壓力為16.20 GPa，與實(shí)驗(yàn)上測得的20.7 GPa的相變壓力符合較好。與常壓下的1T結(jié)構(gòu)相比，高壓下氯化鉛結(jié)構(gòu)的TiS2有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更大的體變模量。另外，我們

8、還對TiS2的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明從1T結(jié)構(gòu)到氯化鉛結(jié)構(gòu)的壓致相變伴隨著從半金屬到金屬的電子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
　　第七章對晶化BeF2的高壓相變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在50 GPa的壓力范圍內(nèi)， BeF2將先后經(jīng)歷從α-石英型結(jié)構(gòu)到柯石英型結(jié)構(gòu)，再到金紅石型結(jié)構(gòu)，最后到α-PbO2型結(jié)構(gòu)的三次結(jié)構(gòu)相變；對各種結(jié)構(gòu)的 BeF2的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)其電子結(jié)構(gòu)對特定的晶體類型并不敏感，其電子結(jié)構(gòu)主要由晶體中的BeF4四面體結(jié)構(gòu)（或B