新型功能材料高压性质的第一性原理研究

论文摘要

随着高新技术的不断发展和进步,出现了许多新的功能材料,对这些新型功能材料的研究受到了广泛的关注。压力作为一个重要的热力学参数,对于调节材料的物理性能能起到重要的作用。基于此,研究压力对新型功能材料结构和物理性质的影响对于我们更好地了解和改善材料的性能以及设计和合成具有良好应用前景的新材料都将起到重要的作用。本文运用第一性原理计算方法对几种新型功能材料的高压性质进行了研究。全文共分为八章。第一章介绍了对新型功能材料高压性质进行研究的研究背景和意义;回顾了本文所关注的几种新型功能材料的研究现状。第二章首先简单介绍了采用赝势平面波表述的第一性原理计算方法的基本原理。其次,对相变基本理论进行了介绍,其中重点关注的是相变的分类、压致相变的特点和高压相的理论预测方法。第三章对NaBH4在高压下的结构相变进行了研究。本文的计算首次从理论上证实了NaBH4高压相的BaSO4型结构,并正确的预测到了实验上观察到的从β-NaBH4(P421c)到γ-NaBH4（BaSO4-type, Pnma）的相变,计算得到的相变压力（9.66 GPa）与Kumar等人通过X射线衍射实验得到的结果（8.9 GPa）符合较好。最后,我们的研究还表明常温下实验上发现的从β-NaBH4到γ-NaBH4的高压相变在低温下也能够完成,从而在一定程度上解决了以往理论计算和实验结果间的分歧。第四章研究了Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）在高压下的结构相变、电子结构和光学性质。对结构相变的研究表明,在压力作用下Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）将经历从反萤石结构到反氯化铅结构,再到Ni2In型结构的两次结构相变。对Mg2C而言,从反萤石结构到反氯化铅结构的相变是一级相变,而从反氯化铅结构到Ni2In型结构的相变没有发现体积突变是二级相变。对Mg2Si,Mg2Ge和Mg2Sn来说,两次高压结构相变都是一级相变。四种材料在由反氯化铅结构转变到Ni2In型结构的相变过程中,反氯化铅结构Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）的晶格常数的变化表现出了明显的非线性特征,这种现象可以认为是相变的前导。对电子结构的研究表明,Mg2C的带隙宽度会随压力的增加而增加,与之相反Mg2Si,Mg2Ge和Mg2Sn的带隙宽度会随压力的增加而减小,后三种材料在高压下表现出了金属的性质。对光学性质的研究表明,四种材料的光学性质会随压力的增加而急剧变化。对Mg2C而言,压力作用下介电函数虚部ε2的吸收峰会随着带隙宽度的增加而往高能级方向移动。而对Mg2Si,Mg2Ge和Mg2Sn来说,在高压下ε2的谱线中出现了许多新的吸收峰。第五章研究了压力对CaMgX（X=Si, Ge, Sn）结构稳定性和电子结构的影响。通过理论计算我们成功地预测到了三种材料在压力作用下从pnma结构到Ni2In型结构的连续相变。对电子结构的研究表明,常压下pnma结构的CaMgSi和CaMgGe表现出半金属的性质;而pnma结构的CaMgSn则表现出了金属的性质。压力的作用将导致CaMgSi和CaMgGe发生从半金属到金属的电子结构的转变。而CaMgSn的电子结构对压力不敏感,其主要变化是能带宽度随压力的增大不断增加。第六章从理论上对实验上观察到的TiS2高压相的结构作出了预测。结果表明,TiS2将经历一次从1T结构到氯化铅结构的一级压致相变。计算得到的相变压力为16.20 GPa,与实验上测得的20.7 GPa的相变压力符合较好。与常压下的1T结构相比,高压下氯化铅结构的TiS2有更紧凑的结构和更大的体变模量。另外,我们还对TiS2的电子结构进行了研究。结果表明从1T结构到氯化铅结构的压致相变伴随着从半金属到金属的电子结构的转变。第七章对晶化BeF2的高压相变进行了研究,发现在50 GPa的压力范围内,BeF2将先后经历从α-石英型结构到柯石英型结构,再到金红石型结构,最后到α-PbO2型结构的三次结构相变;对各种结构的BeF2的电子结构进行了比较,发现其电子结构对特定的晶体类型并不敏感,其电子结构主要由晶体中的BeF4四面体结构（或BeF6八面体结构）决定。第八章是全文研究工作的总结和对下一步研究工作的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 几种新型功能材料的研究现状
• 1.2.1 关于碱金属硼氢化物的研究
• 1.2.2 关于含Mg化合物的研究
• 2 的研究'>1.2.3 关于TiS₂的研究
• 2的研究'>1.2.4 关于BeF₂的研究
• 第二章 基本理论及计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 第一性原理计算方法
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似和独立粒子模型
• 2.2.2 Hartree-Fock近似
• 2.2.3 密度泛函理论
• 2.2.4 交换关联作用的几种近似
• 2.2.5 平面波与超软赝势
• 2.3 相变理论
• 2.3.1 相变的分类
• 2.3.2 压致相变的特点
• 2.3.3 高压相的理论预测
• 4高压相变的第一性原理研究'>第三章 NaBH₄高压相变的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法与参数的选择
• 3.3 结果和讨论
• 3.4 小结
• 2X （X=C, Si, Ge, Sn） 结构相变、电子结构和光学性质的第一性原理研究'>第四章 高压下Mg₂X （X=C, Si, Ge, Sn） 结构相变、电子结构和光学性质的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法与参数的选择
• 4.3 计算结果及讨论
• 4.3.1 结构的稳定性
• 4.3.2 电子结构
• 4.3.3 光学性质
• 4.4 小结与展望
• 第五章CaMgX（X=Si, Ge, Sn）高压性质的第一性原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法与参数的选择
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 压力对结构稳定性的影响
• 5.3.2 压力对电子结构的影响
• 5.4 小结
• 2高压结构相变和电子结构的第一性原理研究'>第六章 TiS₂高压结构相变和电子结构的第一性原理研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法与参数的选择
• 6.3 计算结果与讨论
• 6.4 结论
• 2高压相变和电子结构的第一性原理研究'>第七章 BeF₂高压相变和电子结构的第一性原理研究
• 7.1 引言
• 7.2 计算方法与参数的选择
• 7.3 计算结果与讨论
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文主要结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果