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超硬材料Si_(3-x)C_xN_4的第一性原理研究

林琳  
【摘要】: 超硬材料主要由Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族共价键化合物(碳化物、氮化物)和单质(金刚石)组成,硬度高于40GPa,有单晶、多晶、非晶等多种,除金刚石外,这些材料都是人工合成的,没有天然对应物,它们除具有超硬性质外,这些材料大都还具有宽带隙、高温稳定性、化学惰性等优良的物理化学性质。目前,新型超硬材料主要研究的对象有金刚石、类金刚石(DCL)、立方氮化硼(BN)、氮化碳(C_3N_4,CN_x)、硼碳氮(BCN)等,是近年来材料研究的热门之一。 本文采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,交换关联能函数用了局域密度近似和广义梯度近似来描述,通过构造晶胞模型,对尖晶石结构的Si_(3-x)C_xN_4基态电子结构性质和硬度进行了理论计算。主要包括以下几方面: 首先,采用基于密度泛函理论的局域密度近似和广义梯度近似下的平面波赝势方法,对Si_(3-x)C_xN_4体系进行晶格优化,得到能量最低的稳定结构,获得平衡态时的晶格常数。 其次,在几何结构优化的基础上,对三种化合物C_3N_4、CSi_2N_4、和SiC_2N_4的总能量、弹性常数、体变模量、能带结构和态密度的计算,并根据计算结果对其稳定性和电子结构进行了分析。 最后,用不同的计算方法,对三种化合物的硬度作了计算。结果表明超硬材料应满足高的电子密度,短键长,大的共价性。更重要的是,进一步肯定了硬度与理论计算之间的联系,并对新超硬材料设计中将起重要作用。


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