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计算机模拟金属化合物电子结构,晶体结构及其性能

李灿  
【摘要】:自30年代金属间化合物发现至今,已经发现的金属间化合物共有两万种以上,其中有约300种可用,其结构类型多种多样,材料性能千变万化。当金属间化合物以微小颗粒形式存在于金属合金中时,会使得金属合金的整体强度得到提高,尤其是在一定温度范围内,金属合金的强度会随温度升高而增强,这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。这一“高温英雄”最大的用武之地将会应用在航空航天领域,如密度小、熔点高、高温性能好的钛铝化合物等具有极诱人的应用前景。除了作为高温结构材料之外,金属间化合物的其他功能同样被相继开发,通常金属间化合物具有良好的力学性能和耐高温、抗氧化、抗腐蚀以及比强度高等特性,成为航空、航天、交通运输、化工、机械等众多工业部门的重要结构材料;由于其具有声、光、电、磁等特殊物理性能,可作为半导体、磁性、储氢、超导等方面的功能材料,因而极具应用前景。与此同时,金属间化合物材料的广泛应用,极大地促进了当代高新技术的进步与发展,促进了结构与元器件的微小型化、轻量化、集成化与智能化,从而促进了新一代元器件的出现。 金属化合物以其独特的性能以及广泛的应用成为当前研究的热点,随着社会的快速发展,人们生活质量的不断提高,人们对材料性能的需求也越来越广,越来越高,很多具有独特性能的金属化合物为人们所期盼。然而,以往人们对于材料的直接认识却仅仅停留在原子水平,例如:利用透射电镜观察材料的原子分布,通过X衍射分析材料的晶体结构等,这并不利于人们真正理解材料的本质。为了更好更快的开发新材料或材料的新性能,在电子水平对于元素的鉴定和电子态的分析变的非常重要。随着计算机技术的发展,计算能力也越来越高。在原子层面研究金属化合物的各种性能上,使用第一原理计算越来越突显其优势,它可以深入探讨原子结构和电子结构对其性能的影响。基于以上考虑。本文采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法对金属化合物的力学、光学,以及晶体结构等性能进行了研究,主要研究内容如下: (1)研究了具有半导体性质的二元金属化合物的介电常数。由于过渡族金属化合物中,非金属的s电子的跃迁几率明显小于其它价电子,而导致Levine模型过高的估计了非金属的s电子对总的价电子的影响。通过第一原理研究,我们发现非金属的s电子对总的价电子的影响将减半。因此,Levine应当被修正。修正后的介电常数计算结果以及过渡族金属化合物的平均光学能隙将更接近实验值。 (2)研究了具有导体性质的二元金属化合物的化学键。由于金属化合物中存在部分金属键,从而Phillips模型无法对其化学键的组成进行分析。通过第一原理计算,我们发现大多数过渡族金属碳化物和氮化物的复杂化学键中金属部分比较大,因而不能被忽略。利用重新定义的Phillips电离度,我们能够很好的计算这些化合物的硬度,其结果与实验值符合得很好。s-p-d杂化对硬度的额外同样被定量确定。此外,闪锌矿结构的硬度值要大于岩盐结构的硬度值。 (3)具有半Heusler化合物结构的CaPtSe的能带结构,部分电子态密度(PDOS)以及电子结构通过第一原理计算模拟得出,并且模拟过程中并运用了LDA+U。模拟结果显示:Pt-Se共价键和Pt-Ca离子键共同影响材料的能带结构,而且体系具有最小的(EΓ6-EΓ8)数值或者说最强的自旋轨道耦合。通过比较大多数的化合物,我们发现,材料中正的ΔZY和ΔYX值越小,则其越适合拓扑绝缘体。当-0.28ΔZY0时,ΔZY数值越负,则(EΓ6-EΓ8)数值越小。此外,X和Z原子分别位于Ⅱ和Ⅵ族更有利于形成拓扑绝缘体。 (4)一些AB2C全Heusler化合物结构的的能带结构,部分电子态密度(PDOS)以及电子结构都通过第一原理计算得出。结果显示具有半满d轨道以及d5d5s2p6电子结构的全Heusler化合物同样可以形成拓扑绝缘体,这必将成倍的扩大拓扑绝缘体的范围。全Heusler化合物的能带结构由A-B和B-C键合共同影响。自旋向上和自旋向下的电子分别影响电子轨道,这导致材料具有磁性。所有全Heusler化合物都为反铁磁,其磁距接近9μB,它们能够导致典型的磁单极子效应,也能提供新的可调光学调节器设计。 (5)成分等原子比的FeNiCrCuCo和FeNiCrCuMo合金是由简单的面心立方组成的。当合金中的Cu或Co被Al取代时,合金的结构转变为体心立方或体心立方+面心立方。Cu和Al都有着面心立方结构,Cu可以促进合金向面心立方固溶体转变,Al阻止合金向面心立方固溶体转变。另一方面,当合金中的Zr增加时合金中将出现复杂的化合物,其原因是Zr与其它元素有很强的化合能力。体心立方结构的合金比面心立方的合金硬度高。当复杂的化合物形成,合金的硬度和脆性都将增加由于第二相的强化理论。合金的硬度随着Al含量的增加而增加。 (6)一系列高熵合金的结构已经在实验上和理论中都得到了证实。由于高熵合金的主要成分的电负性相差很大,而且其主要成分被划分为两组。当Al和Cr作为主要成分时,高熵合金形成化合物的趋势将增大。最终,固态的合金将形成B2结构,而不是A2结构。这些也通过计算机模拟得到了证实。 尽管仅研究了部分金属化合物的部分性能,但是通过第一原理,能够研究更多材料的更多性能。通过将材料的化学键和其性能紧密结合,必然能开发出众多具有新性能的材料。


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