三元層狀碳化物Ti3AlC2的電子結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)研究.pdf

1、三元層狀碳化物Ti3AlC2是一種新型熱力學(xué)穩(wěn)定的層狀納米材料,結(jié)合了陶瓷和金屬的優(yōu)異性能,在高溫結(jié)構(gòu)材料、電接觸材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文計(jì)算使用的是集成在美國(guó)Accelrys公司出品的Materials Studio4.4軟件平臺(tái)上的CASTEP(Cambridge Series'Total Energy Package)程序包。在計(jì)算中使用了范德比爾特(Vanderbilt)型超軟贗勢(shì)和廣義梯度近似(GGA

2、-PW91)。所有計(jì)算中平面波截?cái)嗄芫O(shè)置為380eV,布里淵區(qū)的積分采用(9×9×2)的Monkhorst-Pack格點(diǎn)面處理。
　　 本文首先采用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)極小化方案對(duì)Ti3AlC2晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化得到基態(tài)平衡晶格參數(shù),包括晶格常數(shù)和原子內(nèi)坐標(biāo)。幾何優(yōu)化收斂標(biāo)準(zhǔn)為兩次迭代的能量變化小于5.0×10-6 eV/atom,原子間作用力變化小于0.01 eV/(

3、A),最大位移小于5×10-4(A)以及最大應(yīng)力小于0.02GPa。優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。本文還計(jì)算了電子結(jié)構(gòu)和Mulliken布居以分析原子間的鍵接特性。
　　 Ti3AlC2的彈性常數(shù)是通過(guò)計(jì)算不同應(yīng)變模式下的應(yīng)力分布來(lái)確定的。對(duì)六方晶系來(lái)說(shuō),至少需要兩種應(yīng)變模式{(εxx=0,εyy=0,εzz=1,γyz=0,γxz=0,γxy=1)和(εxx=1,εyy=0,εzz=0,γyz=1,γxz=0,γxy=0)}才能確

4、定所有的彈性常數(shù)。而且在每種模式下均施加5個(gè)不同的應(yīng)變微擾,然后根據(jù)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定各彈性常數(shù)。一旦彈性常數(shù)確定,Ti3AlC2的的彈性模量以及其它力學(xué)參數(shù)即可計(jì)算得出。
　　 考慮到Ti3AlC2在壓力環(huán)境下的應(yīng)用,給晶胞施加了0～50GPa的等方性靜水壓來(lái)考察外部壓力對(duì)Ti3AlC2的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和彈性性能的影響。首先通過(guò)計(jì)算得到在各個(gè)壓力下的具有局部最小自由焓的幾何結(jié)構(gòu),將Ti3AlC2不受外部壓力情況下的晶體結(jié)