不同維度新結(jié)構(gòu)材料的第一性原理研究.pdf

1、研究材料的性能關(guān)鍵在于研究材料的結(jié)構(gòu)，因為結(jié)構(gòu)決定性能。如今要得到優(yōu)越性能的新結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)不能依賴來自于大自然的直接發(fā)現(xiàn)，而是需要我們對材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分為兩個方向，即結(jié)構(gòu)的簡單化和復(fù)雜化。在本論文中，我們以二維的石墨烯和無序結(jié)構(gòu)材料作為簡單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的典型，通過第一性原理計算的方法對上述材料開展包括幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性能、結(jié)構(gòu)相交等方面的研究。
　　第一章主要介紹了基于密度泛函理論的第一性原理計算方法的背

2、景知識。內(nèi)容包括對電子交換關(guān)聯(lián)項的不同處理，如局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)、非局域泛函、雜化泛函、LDA+U方法、自洽U方法、動力學(xué)平均場理論(DMFT)以及GW近似等，另外還有原子勢函數(shù)、分子動力學(xué)的介紹，以及一些常用第一性原理模擬計算軟件的介紹。
　　第二章研究了摻雜一系列不同原子（包括吸附和替代型摻雜）石墨烯的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能等物理性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)摻入不同雜質(zhì)原子的石墨烯確實表現(xiàn)出了許多非常不同的電子

3、結(jié)構(gòu)。如B、N原子的替代摻雜都保持了石墨烯的平面結(jié)構(gòu)，而且在狄拉克點附近打開了帶隙。這使得摻B和摻N的石墨烯有可能在半導(dǎo)體器件上得到應(yīng)用。另外在Cu和Mn原子的摻雜計算中，我們考慮了局域軌道庫倫排斥能（參數(shù)U）對體系電子結(jié)構(gòu)的影響。
　　第三章主要研究了氟化對石墨烯的分解作用。實驗上制備面積大、品質(zhì)高的石墨烯樣品的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是也同樣需要可靠且高效的技術(shù)來控制石墨烯樣品的形貌。通過計算，首先從熱力學(xué)能量角度上我們證實在石墨

4、烯上的氟化是可以順利進行的。氟化后的石墨烯由于C原子從sp2到sp3的雜化轉(zhuǎn)變和F原子間的排斥作用，強烈的結(jié)構(gòu)扭曲減弱了C=C雙鍵的作用。最后高溫分子動力學(xué)的模擬證實氟化石墨烯在1500 K的溫度下開始分解。
　　以上兩章的內(nèi)容都是關(guān)于簡單二維結(jié)構(gòu)的石墨烯。從第四章開始，我們著重于無序結(jié)構(gòu)的研究。在第四章中，我們結(jié)合同步輻射實驗和第一性原理計算，從X射線吸收譜的角度分析在壓力作用下二氧化硅玻璃中的結(jié)構(gòu)變化和二氧化碳的晶態(tài)-非晶態(tài)結(jié)

5、構(gòu)變化。研究發(fā)現(xiàn)，二氧化硅玻璃在高壓下氧邊X射線拉曼散射譜的“第二峰”的出現(xiàn)，并不是硅原子六配位的特征標(biāo)志，而是硅原子周圍的氧原子配位增加的結(jié)果。從電子結(jié)構(gòu)的角度，第二峰的出現(xiàn)是由于高壓下O原子2p軌道和Si原子3d軌道的雜化所導(dǎo)致。而對于二氧化碳，我們發(fā)現(xiàn)從7 GPa開始二氧化碳發(fā)生從CO2-Ⅰ相到CO2-Ⅲ相的轉(zhuǎn)變。在更高的壓力(37GPa)，二氧化碳從二配位碳原子的分子晶態(tài)轉(zhuǎn)變到了三、四配位碳原子的非分子無序態(tài)。
　　在第五

6、章中，我們主要研究了無序合金體系在高壓下的結(jié)構(gòu)相交問題，其中包括Ce75Al25無序合金體系在高壓下發(fā)生無序-有序的結(jié)構(gòu)相交，還有CaxAl(100-x)無序合金體系在高壓下的無序-無序結(jié)構(gòu)相變。第一性原理分子動力學(xué)模擬確實分別重復(fù)出了以上兩個體系在高壓下的結(jié)構(gòu)相交。對于Ce75Al25無序合金體系，我們發(fā)現(xiàn)Ce原子4f電子的離域化并不是促發(fā)體系在高壓下發(fā)生無序到有序的結(jié)構(gòu)相交的直接原因。而是Ce原子在FCC晶格中占主導(dǎo)地位的有效排列起