复杂晶体化学键介电理论及其在材料科学中的应用

【摘要】： 无论是能带理论还是量子化学手段，对实际材料的研究都局限于小的简单体系。恰恰在新材料的研究中，多元体系已占主导地位。为此寻求适于多元体系的理论方法势在必行。晶体中化学键的概念在化学和材料科学中已被广泛应用，特别是Phillips和Van Vechten提出的化学键介电理论已应用于二元体系的材料设计。在PV理论的框架下，本文通过引入键子式的概念提供了将复杂多键问题转化为二元化合物的单键问题的途径，系统地阐述了复杂晶体化学键的介电理论，使得我们能够方便地处理和分析各种复杂晶体的化学键性质。鉴于大多数功能材料都含有d过渡元素，而d电子效应对化学成键有复杂的影响，在合理考虑3d电子特殊作用的基础上，给出了一种3d过渡金属化合物化学键的计算方法。 根据光谱、电子能谱和穆斯堡尔谱学中化学键对谱线影响的经验规律，进一步利用共价性和极化率定义了化学环境因子这一概念，并发现它能够有效地描述波谱学中化学位移的变化趋势。从而揭示了波谱化学位移的化学键实质。具体得出了~(57)Fe，~(119)Sn等核在不同氧化态时同质异能位移与化学环境因子的定量关系。这些定量关系式的获得，使我们能够利用复杂晶体介电理论来计算各种复杂晶体中同质异能位移，一方面这种定量关系为穆斯堡尔谱解谱工作提供了依据，反过来讲穆斯堡尔谱实验也可以验证复杂晶体化学键介电理论的正确性和有效性。 六角铁氧体是一类很有发展前途的垂直磁记录材料和微波吸收材料。本文利用化学沉淀法制备了M-、W-型六角铁氧体。利用差热分析、SEM、XRD、TEM、Mossbauer谱进行了表征和分析。利用复杂晶体化学键的介电理论研究了M-、W-和R-型六角铁氧体化学键的性质和Mossbauer谱同质异能位移，解决了六角铁氧体的多晶位Mossbauer谱的计算，计算结果与实验值相当一致，为深入研究复杂六角铁氧体的化学键性质提供了新的有效手段。 利用复杂晶体化学键的介电理论系统地研究了Y系、Bi系、Tl系和Hg系等高温氧化物超导体的化学键性质。发现在所有超导体化合物中CuO键均有较大的共价特征，与文献中有效价和电子密度图的研究结果是一致的，而且我们的定量结果使得成键图象更加清晰。利用化学环境因子的概念研究了~(119)Sn掺在123，214，Bi-2212，Bi-2223，Tl-1223，Hg·1223等超导体中的同质异能位移。计算结果与相应的实验值相当一致。说明我们得到的化学键参数的合理性。利用化学环境因子的概念研究了~(57)Fe掺在123，214，Bi-2201，Bi-2212，Bi-2223，Tl-2212，Tl-2223，Tl-1223，Hg-1223等超导体中的同质异能位移。主要峰位计算结果与文献值相一致，并对其他弱峰位的指派也作了详细讨论。基于高温超导体电声子相互作用机制，建立了高温超导体临界转变温 燕山人学工学博士论文 度与共价性的关系。