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导电性超硬材料的第一性原理计算研究

杨军  
【摘要】:本论文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算研究导电性超硬材料的理想强度等物理性质。导电性材料在国防、工业乃至日用生活中都有广泛的应用。在国防和工业应用中还会对导电性材料的硬度或强度有较高的要求。研究设计超硬、超强的导电性材料具有重要的理论和实用意义。 论文的第一、二章简单介绍了相关的研究背景与理论基础知识。 在第三章中,我们研究了由轻元素组成的导电性超硬材料类金刚石结构的BC_3(d-BC_3),计算了d-BC_3在不同应变下拉伸与切变理想强度。对该材料的电子态密度计算结果显示d-BC_3不但在平衡结构位置甚至在大尺度拉伸和切变形变下依然保持金属性。通过计算分析d-BC_3在各方向上的理想强度结果,比较得到最弱方向上的理想切变强度,从而确定d-BC_3是一种迄今具有导电性的最硬超硬材料之一。为配合实验合成这种材料,我们又模拟了两种层状BC_3的亚稳态结构。并指出其中一种层状结构可以通过跨越较低的势垒合成类金刚石结构d-BC_3材料。 在第四章中,我们对Fe_4N材料进行了计算研究。Fe_4N材料由于具有很高的饱和磁矩以及很高的硬度特别适用于需要耐磨磁性材料的应用领域,如设计高密度磁记录设备的磁头等等。由于在[001]方向上Fe和N原子的距离最近,可以形成较强的原子键,以往的理论和实验一般都认为Fe_4N结构的(001)晶面具有最大的强度。我们对Fe_4N结构在各低指数晶面,如(001)、(011)、(111)、(112)面,完成了基于第一性原理的拉伸强度和切变强度计算。结果发现(011)晶面具有比其它各晶面更好的机械性质,(001)面的切变强度比其它晶面的切向强度值高出35%。我们的计算结果表明如果实验上能生长高质量单相(011)Fe_4N薄膜,可以设计更理想的高密度记录磁头。 在第五章中,我们计算研究了一种新型的特硬材料OsB_2。由单纯轻元素(B、C、N等)组成的(绝缘或导电)超硬材料的合成都需要极高的压力和温度,大规模生产需要很高的成本。近年来国外有研究小组提出利用过渡金属和共价键轻元素形成的化合物或许更加容易得到既导电又具有良好机械强度的新型超硬材料。一般来讲,共价轻元素(B、C、N等)的共价键是很强的化学键,并且具有良好的方向性,可抵抗材料的切向形变;而过渡金属元素的高密度价电子可使材料具有很高的体弹性模量,使材料结构不易被压缩。将共价元素掺入到过渡金属中就是结合了两种化学键的优点,从而达到增强结构的抗压缩和切向形变能力,从而提高结构的硬度。OsB_2是第一批采用这种机制合成的样品,实验发现在(001)面上它的Vickers硬度达到30GPa,高于一般的钢铁材料,有可能成为新型的钢铁器件的研磨切割工具,以及耐磨防腐涂层。但我们通过第一性原理计算研究发现OsB_2在一些晶面上的切向强度具有极大的各项异性,如(001)晶面上沿[010]方向的切向强度(约10GPa)只是[100]方向切向强度(约30GPa)的三分之一,OsB_2并不适合用来设计新型的钢铁器件的研磨切割工具。我们的计算结果表明简单的硬度实验并不能精确地探测OsB_2结构的强度特性,设计新型的超硬材料时应特别注意研究材料在原子尺度的结构畸变和失稳模式。 在第六章中,我们研究了刻痕硬度实验中压头下正压力对材料硬度的影响。ReB_2是过渡金属和共价键轻元素化合物超硬材料的又一典型结构。ReB_2材料引起广泛的注意是因为实验发现这一材料可以在金刚石表面上留下划痕,显示出很高的(划痕)硬度。但刻痕硬度实验却显示ReB_2材料的维氏硬度只有20~30GPa,远低于金刚石的维氏硬度(约为100GPa)。为解释这一现象,我们采用第一性原理计算方法分别计算了ReB_2材料在没有外加正压力情况下结构的切向强度(对应于划痕硬度实验)和在外加正压力情况下结构的切向强度(对应于刻痕硬度实验)。计算结果表明外加正压力将减弱ReB_2材料的切向强度,造成材料刻痕硬度的下降。理论上计算得到在考虑了正压力情况下ReB_2切向理想强度为26GPa,与实验值很符合。论文中还进一步仔细分析了正压力造成ReB_2材料强度下降的微观物理机制。


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