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金刚石与碳化铬表界面性质的第一性原理研究

顾凯旋  
【摘要】:本文基于第一性原理计算方法,研究了Cr3C2(001)表面的表面能、功函数、表面原子弛豫、褶皱现象和电子性质。LDA和GGA泛函计算的Cr3C2(001)表面的表面能分别为4.13 J/m2和3.43 J/m2,其功函数计算值分别为4.41 eV和4.30 eV,功函数计算对LDA和GGA泛函选取的敏感度小于表面能。Cr3C2(001)表面的原子弛豫主要发生在前两原子层,最显著的褶皱现象发生于第二原子层。通过电子性质分析,Cr3C2(001)表面具有比体相材料更强的金属特性并具有更强的 Cr-Cr和 C-Cr原子成键。研究了diamond(001)/Cr3C2(001)界面的结合强度、几何结构、原子成键和电子性质。建立了两个diamond(001)/Cr3C2(001)界面板块模型(命名为Model Ⅰ和ModelⅡ)。更稳定的界面结构(Model Ⅱ)倾向于保持其体相特征,具有更大的粘附功(3.54 J/m2)和更小的界面距离(1.62 A)。通过电荷密度、电荷差分密度和电子分态密度(PDOS)系统地研究了Model Ⅰ和Model Ⅱ的界面原子成键和电子性质。结果表明,几何优化之后的Model Ⅰ和Model Ⅱ界面均具有C-C和C-Cr键,界面成键性质均呈现出共价性和离子性。Model Ⅱ界面原子的PDOS类似于其体相,表明界面处从Cr3C2(001)侧到diamond(OOl)侧的电子移动是平滑的。相比于ModelⅠ,Model Ⅱ在diomond(001)侧的C 2p电子态与Cr3C2(001)侧的C2p、Cr3d电子态之间具有更强的轨道杂化,这进一步解释了 Model Ⅱ具有比Model Ⅰ更高界面结合强度的原因。


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