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缺陷和外界压力对几种典型材料物理性质的影响

2020-12-07阅读(448)

缺陷和外界压力对几种典型材料物理性质的影响

论文摘要

材料中的缺陷行为及其对宿主物理性质的影响是一个具有现实意义和广泛应用价值的重要课题,因而一直是理论和实验研究的热点。本工作采用第一性原理方法较为系统地研究了不同外界条件下的两类典型缺陷体系:金属Nb掺杂氢氦体系和B-C-N超硬多功能材料的缺陷和杂质效应。论文主要包括:掺氢金属铌体系的晶格畸变、电子结构、光学特性和氢原子的绝热晶格动力学行为和压力效应,以及有限温度和压力下氦原子的凝聚机制;提出了一种计算金属晶体弹性性质的方法;预言了两种具有导电性质的立方相超硬B-C-N三元晶体,并且研究了相应的电子结构、基本力学特性和晶格动力学特性;提出了定体焓分析方法,并研究了BCN体系的稳定性与合成的可行性问题,研究了B-C-N体系中的杂质问题。具体的研究工作如下:（一）在1:1,1:2和1:16的浓度下,研究了氢原子在金属铌中的电子结构、宿主晶格响应和氢原子的晶格动力学行为,提出了一种NbH的新结构,对文献报导的低位能带（lower lying band）的成因进行了进一步阐释;采用位置试探的方法,在第一性原理的框架下得到了氢原子在Nb中感受到的周期势场,通过求解氢原子的Schr（o|¨）dinger方程,得到了氢原子量子行为的较为精确表述;采用分子动力学方法在有限温度和压力下,研究了氢、氦动力学效应对宿主金属的影响及其差异性。证明了氦泡形成的局域密度和压力相关性。（二）研究了β-C3N4体系的本征缺陷和杂质效应。证明在Ga间隙掺杂下,宽带隙中生成丰富的杂质能级,导致体系在可见光的广谱范围内的光学吸收和发射。（三）研究了多种典型的B-C-N超硬材料体系的力学特性和晶格动力学稳定性,预言了B3CN4和B3C4N两种具有导电性的BCN三元立方相材料,研究了高压超硬相B3CN4体系中的杂质行为。（1）提出了一种基于基本晶格振动模式下的定体焓分析方法,用以研究闪锌矿晶体的宏观稳定性及其合成的可能性,并且藉以给出材料合成压力。研究结果显示,8原子单胞描述下Zinc-blende结构的基本晶格振动模式中,呼吸模式A1对外界压力的响应最为显著,导致该模式下体系的定体焓（constant volume enthalphy,CVE）变化剧烈。在宽广的压力范围内,金刚石、立方氮化硼晶体的CVE极小点与总能（total energy,ETOT）极小一致,表明体系是稳定的,并且其实验合成的成功具有其热动力学意义上的合理性。（2）证明了B3CN4在压力为～80GPa到～120GPa的范围内ETOT和CVE极小所对应的位形一致性,表明该结构在该压力区间内是稳定的,并且能够合成;B3C4N稳定于25～45GPa范围内,且其切变模量过小。（3）常压条件下两种BC2N材料（BC2N-1和BC2N-2）的某些振动模式对CVE影响显著,且其极小与ETOT的极小值大幅度偏离,而且原子按照基本振动模的集体移动显示,平衡位形是总能的鞍点,这些证据表明BC2N-1和BC2N-2可能是不稳定结构。（4）研究了高压条件下B3CN4体系的杂质模型,结果表明金属性替位掺杂将产生多个浅层受主能级,而金属间隙原子形成三条深层杂质能级（带）。三元体系及其杂质相呈现金属性低频高反射。（四）作为材料物性研究的补充,系统地研究了晶格振动动力学和弹性力学量之间的关系,提出了利用Christoffel长波动力学矩阵,通过在倒易空间单位球内求解本征值,籍以判定材料力学稳定性的一般方法;提出了从动力学矩阵出发,计算宏观弹性常量的方法。

论文目录

  • 内容提要
  • 第一章 绪论
  • 1.1 Nb金属的 H，He元素掺杂
  • 1.2 B-C-N体系中的杂质行为
  • 3N4的基本物理性质与掺杂效应'>1.2.1 C3N4的基本物理性质与掺杂效应
  • 1.2.2 BCN体系的结构和稳定性
  • 1.2.3 定体焓分析方法和 BCN新相的确立
  • 1.2.4 BCN体系中的杂质行为
  • 1.3 晶格振动动力学和宏观弹性性质
  • 1.4 研究目的
  • 第二章 多电子体系的电子结构处理
  • 2.1 密度泛函理论和局域密度近似
  • 2.1.1 多体哈密顿与绝热近似
  • 2.1.2 Hartree近似
  • 2.1.3 Hartree-Fock近似
  • 2.1.4 密度泛函理论
  • 2.2 赝势和第一原理赝势
  • 2.2.1 赝势的基本概念和赝势类型
  • 2.2.2 第一原理赝势构造简介
  • 2.3 交换关联近似（LDA和 GGA）
  • 2.4 布洛赫（Bloch）定理
  • 2.4.1 周期体系的状态描述——布洛赫波
  • 2.4.2 Bloch定理的意义与应用
  • 2.5 外场作用下电子体系的响应
  • 2.5.1 电子体系与电磁辐射相互作用的基本理论
  • 2.5.2 偶极辐射的经典模型
  • 2.5.3 晶体中价电子光吸收的量子理论
  • 2.5.4 半导体杂质光学
  • 2.6 电子体系的处理小结
  • 第三章 离子实体系
  • 3.1 晶格动力学基本方程
  • 3.2 基于密度泛函理论的动力学矩阵构造
  • 3.3 解析相互作用势下的动力学矩阵构造
  • 3.3.1 单质体系的简化模型动力学处理
  • 3.3.2 横波约束
  • 3.3.3 纵波约束
  • 3.4 晶格振动的量子化处理
  • 3.5 有限温度下的分子动力学模拟方法
  • 第四章 晶体力学稳定性和弹性常量计算
  • 4.1 一维晶体的力学稳定性
  • 4.2 立方晶体的力学稳定性
  • 4.3 六角晶系的力学稳定性
  • 4.4 弹性常量的计算方法
  • 4.4.1 应力应变法
  • 4.4.2 晶格振动色散法
  • 4.4.3 直接本征值求解
  • 4.5 应力—应变法弹性常量的可靠性判定
  • 4.6 本章小结
  • 第五章 金属 Nb中 H、He杂质的行为
  • 5.1 NbH的稳定相和电子结构
  • 5.1.1 模型结构和基本力学性质
  • 5.1.2 不同晶体结构下的电子结构差异性
  • 5.1.3 小结
  • 2H的电子结构和氢铌相互作用'>5.2 Nb2H的电子结构和氢铌相互作用
  • 5.2.1 模型与势函数计算方法
  • 5.2.2 总能与相互作用势
  • 5.2.3 电子结构与氢原子位置的关系
  • 5.2.4 小结
  • 5.3 金属 Nb中 H的量子行为研究
  • 5.3.1 三维周期势的获得
  • 5.3.2 收敛性检验
  • 5.3.3 H的振动能级
  • 5.3.4 H的位置概率分布
  • 5.3.5 小结
  • 16H的结构与物理性质'>5.4 Nb16H的结构与物理性质
  • 5.4.1 模型构造和几何优化
  • 5.4.2 基本力学性质
  • 5.4.3 掺杂体系的电子结构与单质体系的对比
  • 5.4.4 压力对体系电子结构的影响
  • 5.4.5 电子体系的光吸收及其压力效应
  • 5.4.6 小结
  • 5.5 Nb中氢氦杂质原子的动力学行为
  • 5.5.1 氦原子初始位置的确定
  • 5.5.2 分子动力学模型
  • 5.5.3 256Nb+6He体系
  • 5.5.4 128个原子铌体系中氢氦杂质动力学模拟对比
  • 5.5.5 金属铌中氦氢动力学特性差异分析
  • 5.5.6 小结
  • 5.6 本章结论
  • 3N4体系的杂质行为研究'>第六章 C3N4体系的杂质行为研究
  • 3N4'>6.1 C3N4
  • 3N4平衡结构描述'>6.1.1 零压下立方 C3N4平衡结构描述
  • 3N4的物态方程和原子位置的压力敏感性'>6.1.2 立方相 C3N4的物态方程和原子位置的压力敏感性
  • 3N4弹性常量的压力响应'>6.1.3 立方相 C3N4弹性常量的压力响应
  • 6.1.4 晶格振动
  • 3N4'>6.1.5 β-C3N4
  • 6.1.6 小结
  • 3N4中的杂质行为'>6.2 β-C3N4中的杂质行为
  • 6.2.1 本征缺陷中互取代情形下的缺陷能级
  • 6.2.2 空位缺陷下的电子结构
  • 6.2.3 Ga填隙杂质
  • 6.2.4 小结
  • 3N4中的硼替位研究'>6.3 立方相 C3N4中的硼替位研究
  • 3N4中填隙 V族原子可能性的动力学判定'>6.4 β-C3N4中填隙 V族原子可能性的动力学判定
  • 6.5 本章结论
  • 第七章 B-C-N体系的稳定性及杂质行为
  • 7.1 导言
  • 7.2 闪锌矿结构 BCN体系的稳定性
  • 7.2.1 材料存在性、稳定性与合成可能性的研究现状
  • 7.2.2 定体焓变法
  • 7.2.3 典型闪锌矿结构材料的定体焓计算
  • 7.2.4 金刚石和立方氮化硼 CVE/ETOT的压力响应
  • 2N稳定性的甄别'>7.2.5 定体焓变法对BC2N稳定性的甄别
  • 3CN4体系的结构和物理性质'>7.3 B3CN4体系的结构和物理性质
  • 3C4N体系的稳定性'>7.4 B3C4N体系的稳定性
  • 3CN4体系'>7.5 存在杂质和缺陷的 B3CN4体系
  • 7.5.1 完整宿主晶格的电子结构和光学响应
  • 7.5.2 碳空位缺陷
  • 7.5.3 碳的硼替位缺陷
  • 7.5.4 In替位硼
  • 7.5.5 Ga间隙掺杂
  • 7.6 本章结论
  • 附录
  • 附1 解析模型下的一维杂质振动
  • 附2 二维 L-J晶体的振动
  • 附3 从Christoffel 矩阵确定弹性常量可靠性的源代码
  • 附4 解析模型下弹性常量计算算例代码
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果
  • 致谢
  • 中文摘要
  • Abstract

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