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Si_3N_4和BN介电性质的第一原理计算

蔡永青  
【摘要】:本文利用第一性原理赝势平面波方法计算了β-Si_3N_4和BN的结构性质、振动性质以及介电性质,建立了材料微观结构与介电性质之间的定量关系,可为新型Si-B-O-N低介电常数透波材料的设计提供依据。采用第一性原理分子动力学对晶体结构进行优化,然后利用密度泛函微扰理论计算了在布里渊区Г点的声子频率,运用群论原理对这些声子模进行了标定,并给出了红外光学声子模的纵向频率和横向频率的分裂值。最后,计算了材料在电场扰动情况下的相关性质,得到了光频介电张量、各原子的波恩有效电荷、零频介电张量以及介电张量在红外谱段的频率响应机制,分析了各个红外光学模的强度及其对介电张量的贡献,在此基础上计算得到其红外反射光谱,并与实验数据进行了对比,计算结果与实验数据一致。 对β-Si_3N_4计算表明,在800cm~(-1)至1200cm~(-1)波段(24 THz至36 THz)存在3个较强的红外光学模,具有较大的红外反射,透波性能较差;在高于1200cm~(-1)和低于800cm~(-1)的频段,红外光学模不存在或者其强度较弱,因而β-Si_3N_4在该波段的电磁波照射存在较小的反射和损耗,具有很好的透波性能。对BN的晶体结构,由于晶胞结构简单,红外光学模数目较少,因而相比β-Si_3N_4具有更好的红外透波性能。


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