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《云南大学》 2018年
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Fe-N化合物稳定性和弹性性质的第一性原理研究

董康  
【摘要】:过渡金属氮化物已经大量应用于工业制造领域,特别是材料的超硬涂层、材料结构的陶瓷、微电子、超导、物质反应的催化剂以及光电太阳能材料。本文主要运用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究四个过渡金属二元氮化物(γ′′-Fe_N、ζ-Fe_2N、γ′-Fe_4N和α′′-Fe_16N_2)的结构稳定性、电子结构和弹性性质。本文对应变能-应变曲线进行计算体系的弹性常数方法加以改进,对施加在体系上的应变先做测试后再计算体系的弹性常数,缩短了计算时间并且还减小了计算误差。使用应变能-应变曲线方法计算体系的弹性常数要求施加在体系上的应变使体系发生的形变很小。在外加压下,体系的内部发生的形变较大,不能继续使用应变能-应变曲线方法计算体系的弹性常数。这就需要重新寻找新的方法去计算在外加压下体系的弹性常数。本文通过物质的吉布斯自由能出发,重新寻找到了计算在外加压下体系的弹性常数的方法。为了证明本文方法的正确性,本文运用新的方法计算了具有铁磁性体心立方的铁单质在外加压强下的弹性常数,并且与其他的理论计算结果和实验结果相对比。其他理论计算结果表明,在外加200GPa下铁磁性体心立方铁单质的Born稳定性消失,而实验测量结果为150GPa。本文的计算结果表明,铁磁性体心立方铁单质的Born稳定性在160GPa~165GPa之间消失,更接近实验结果,表明本文寻找到的方法是正确的。本文对γ′′-Fe_N、ζ-Fe_2N、γ′-Fe_4N和α′′-Fe_(16)N_2形成焓和结合能的计算结果表明四个铁氮化合物都是热力学稳定的相。它们有较大的体积模量与它们的原子结构和原子之间的作用力有关。通过计算四个铁氮化合物的氮含量和它们的形成焓,本文找到了过渡金属二元氮化物它们的形成焓与它们的氮含量存在着线性关系,它们的形成焓随氮含量的增加而增大。这表明的热力学稳定性与它们的氮含量有关。运用三阶Birch-Murnaghan状态方程计算四个铁氮化合物的体积模量,它们都有较大体积模量。通过分析四个铁氮化合物的总态密度和分波态密度,它们都存在着Fe原子的d电子与N原子的p电子之间较强的杂化作用,这种作用可能在Fe原子与N原子之间形成了较强的共价键。进一步分析它们的电子局域密度,结果表明Fe原子与N原子之间确实形成了较强的共价键。本文对γ′′-Fe_N和ζ-Fe_2N的部分N原子替换为O原子,研究O掺杂对γ′′-Fe_N和ζ-Fe_2N稳定性和弹性性质的影响。通过计算O掺杂后γ′′-Fe_N和ζ-Fe_2N的形成焓结果表明O掺杂使得两体系的结构稳定性有所提高并且还能保持一定的硬度。
【学位授予单位】:云南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O641.1

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