新型功能材料高壓性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，出現(xiàn)了許多新的功能材料，對這些新型功能材料的研究受到了廣泛的關(guān)注。壓力作為一個重要的熱力學參數(shù)，對于調(diào)節(jié)材料的物理性能能起到重要的作用。基于此，研究壓力對新型功能材料結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的影響對于我們更好地了解和改善材料的性能以及設(shè)計和合成具有良好應(yīng)用前景的新材料都將起到重要的作用。本文運用第一性原理計算方法對幾種新型功能材料的高壓性質(zhì)進行了研究。全文共分為八章。
　　第一章介紹了對新型功能材料高壓性質(zhì)進行

2、研究的研究背景和意義；回顧了本文所關(guān)注的幾種新型功能材料的研究現(xiàn)狀。
　　第二章首先簡單介紹了采用贗勢平面波表述的第一性原理計算方法的基本原理。其次，對相變基本理論進行了介紹，其中重點關(guān)注的是相變的分類、壓致相變的特點和高壓相的理論預(yù)測方法。
　　第三章對NaBH4在高壓下的結(jié)構(gòu)相變進行了研究。本文的計算首次從理論上證實了 NaBH4高壓相的 BaSO4型結(jié)構(gòu)，并正確的預(yù)測到了實驗上觀察到的從β-NaBH4（P421c）到γ

3、-NaBH4（BaSO4-type, Pnma）的相變，計算得到的相變壓力（9.66 GPa）與Kumar等人通過X射線衍射實驗得到的結(jié)果（8.9 GPa）符合較好。最后，我們的研究還表明常溫下實驗上發(fā)現(xiàn)的從β-NaBH4到γ-NaBH4的高壓相變在低溫下也能夠完成，從而在一定程度上解決了以往理論計算和實驗結(jié)果間的分歧。
　　第四章研究了Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）在高壓下的結(jié)構(gòu)相變、電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。對結(jié)構(gòu)相變的

4、研究表明，在壓力作用下Mg2X（X=C, Si, Ge, Sn）將經(jīng)歷從反螢石結(jié)構(gòu)到反氯化鉛結(jié)構(gòu)，再到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的兩次結(jié)構(gòu)相變。對 Mg2C而言，從反螢石結(jié)構(gòu)到反氯化鉛結(jié)構(gòu)的相變是一級相變，而從反氯化鉛結(jié)構(gòu)到Ni2In型結(jié)構(gòu)的相變沒有發(fā)現(xiàn)體積突變是二級相變。對Mg2Si，Mg2Ge和Mg2Sn來說，兩次高壓結(jié)構(gòu)相變都是一級相變。四種材料在由反氯化鉛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的相變過程中，反氯化鉛結(jié)構(gòu)Mg2X（X=C, Si,

5、Ge, Sn）的晶格常數(shù)的變化表現(xiàn)出了明顯的非線性特征，這種現(xiàn)象可以認為是相變的前導。對電子結(jié)構(gòu)的研究表明，Mg2C的帶隙寬度會隨壓力的增加而增加，與之相反Mg2Si，Mg2Ge和Mg2Sn的帶隙寬度會隨壓力的增加而減小，后三種材料在高壓下表現(xiàn)出了金屬的性質(zhì)。對光學性質(zhì)的研究表明，四種材料的光學性質(zhì)會隨壓力的增加而急劇變化。對Mg2C而言，壓力作用下介電函數(shù)虛部ε2的吸收峰會隨著帶隙寬度的增加而往高能級方向移動。而對Mg2Si，Mg2G

6、e和Mg2Sn來說，在高壓下ε2的譜線中出現(xiàn)了許多新的吸收峰。
　　第五章研究了壓力對CaMgX（X=Si, Ge, Sn）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的影響。通過理論計算我們成功地預(yù)測到了三種材料在壓力作用下從 pnma結(jié)構(gòu)到 Ni2In型結(jié)構(gòu)的連續(xù)相變。對電子結(jié)構(gòu)的研究表明，常壓下 pnma結(jié)構(gòu)的 CaMgSi和CaMgGe表現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)；而pnma結(jié)構(gòu)的CaMgSn則表現(xiàn)出了金屬的性質(zhì)。壓力的作用將導致CaMgSi和CaMgGe

7、發(fā)生從半金屬到金屬的電子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。而CaMgSn的電子結(jié)構(gòu)對壓力不敏感，其主要變化是能帶寬度隨壓力的增大不斷增加。
　　第六章從理論上對實驗上觀察到的TiS2高壓相的結(jié)構(gòu)作出了預(yù)測。結(jié)果表明， TiS2將經(jīng)歷一次從1T結(jié)構(gòu)到氯化鉛結(jié)構(gòu)的一級壓致相變。計算得到的相變壓力為16.20 GPa，與實驗上測得的20.7 GPa的相變壓力符合較好。與常壓下的1T結(jié)構(gòu)相比，高壓下氯化鉛結(jié)構(gòu)的TiS2有更緊湊的結(jié)構(gòu)和更大的體變模量。另外，我們

8、還對TiS2的電子結(jié)構(gòu)進行了研究。結(jié)果表明從1T結(jié)構(gòu)到氯化鉛結(jié)構(gòu)的壓致相變伴隨著從半金屬到金屬的電子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
　　第七章對晶化BeF2的高壓相變進行了研究，發(fā)現(xiàn)在50 GPa的壓力范圍內(nèi)， BeF2將先后經(jīng)歷從α-石英型結(jié)構(gòu)到柯石英型結(jié)構(gòu)，再到金紅石型結(jié)構(gòu)，最后到α-PbO2型結(jié)構(gòu)的三次結(jié)構(gòu)相變；對各種結(jié)構(gòu)的 BeF2的電子結(jié)構(gòu)進行了比較，發(fā)現(xiàn)其電子結(jié)構(gòu)對特定的晶體類型并不敏感，其電子結(jié)構(gòu)主要由晶體中的BeF4四面體結(jié)構(gòu)（或B