高压下新型B-C-N-O超硬材料的结构设计

论文摘要

超硬材料广泛应用于国防和工业生产中,新型超硬材料的设计和合成备受关注。本文采用基于基因算法和粒子群优化算法的晶体结构预测技术,结合第一性原理总能的计算,开展了高压下新型B-C-N-O超硬材料的晶体结构设计,获得了以下创新性结果：1.提出了碳的新型同素异形体：超硬单斜碳,命名为M碳（M-carbon）,其兼备石墨和金刚石的结构特征。M碳可能是四十年前实验所发现的常温后石墨高压相。2.理论确定了c-BC2N的晶体结构：虽然实验合成出了高硬度的c-BC2N（62/76 GPa）,但其晶体结构一直存在很大的争议。我们首次提出c-BC2N的晶体结构是具有R3m空间群的菱方结构。3.提出c-BC5的晶体结构和空穴型导体的硬度机理：理论预言c-BC5的晶体结构具有正交Pmma对称性,并首次提出对于依靠空穴导电的导体,因电子仍然是局域的,在硬度计算时不必考虑金属性修正,这与电子导电的导体不同。4.设计了新型具有高电子密度和强共价键特征的灯笼型超硬材料（M@C12,M2@C12）：灯笼的“骨架”由三维碳原子组成,而“灯芯”则填充过渡族重金属元素或其它元素。此类新型超硬材料不仅硬度可以达到75 GPa,而且还可能具有导电特性,是寻找新型超硬-导电材料的理想体系。

论文目录

• 论文提要
• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超硬材料和高压技术
• 1.2 潜在的超硬材料
• 1.3 超硬材料的实验和理论研究进展
• 1.4 本文选题目的和意义
• 第2章 理论基础与计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 绝热近似
• 2.1.2 Hatree-Fock近似
• 2.1.3 密度泛函理论
• 2.1.4 交换关联函数
• 2.1.5 周期性边界条件
• 2.1.6 Bloch定理
• 2.2 超导电性
• 2.2.1 BCS理论
• 2.2.2 McMillan方程
• 2.3 硬度的理论模型
• 2.4 晶体结构的理论预测技术
• 2.4.1 晶体结构预测方法
• 2.4.2 晶体结构稳定性的判断
• 第3章 碳的后石墨低温高压相
• 3.1 碳的同素异形体
• 3.2 M碳的晶体结构
• 3.3 X射线近边吸收谱和X射线衍射谱
• 3.4 晶格动力学性质与电子结构
• 3.5 M碳的硬度
• 3.6 本章小结
• 2N的结构设计'>第4章 超硬材料c-BC₂N的结构设计
• 2N'>4.1 比c-BN更硬的材料:c-BC₂N
• 2N晶体结构'>4.2 c-BC₂N晶体结构
• 4.3 X射线衍射谱和X射线近边吸收谱
• 2N的电子和晶格动力学性质'>4.4 c-BC₂N的电子和晶格动力学性质
• 2N的硬度计算'>4.5 c-BC₂N的硬度计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 B-C-N-O超硬超导复合材料
• 5.1 超硬超导复合材料
• 5晶体结构及物性研究'>5.2 BC₅晶体结构及物性研究
• 5.3 空穴共价型金属的硬度计算
• 2O晶体结构及物性研究'>5.4 B₂O晶体结构及物性研究
• 5.6 本章小结
• 第6章 灯笼型超硬导电材料的设计
• 6.1 寻找新型超硬-导电材料
• 6.2 灯笼型超硬材料的结构设计
• 6.3 碳灯笼形材料的电子性质
• 6.5 碳灯笼形材料成为超导体的可能性
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 作者简介
• 攻读博士期间公开发表的学术论文
• 致谢