先進(jìn)相變存儲(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)材料的第一性原理研究.pdf

1、本論文旨在通過第一性原理方法從理論上研究先進(jìn)相變存儲(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)材料的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)。
　　 在第一章中，我們介紹了本論文工作的動(dòng)機(jī)：為什么采用第一性原理方法以及為什么選擇此系列相變存儲(chǔ)材料和結(jié)構(gòu)材料作為研究對(duì)象?
　　 在第二章中，我們簡(jiǎn)要論述了第一性原理方法的基本理論，涉及量子力學(xué)的基本概念和密度泛函理論，同時(shí)，也概述了一些本研究中采用的其他理論方法，如電子局域函數(shù)和聲子譜的計(jì)算方法。
　　 在第三章中，我

2、們研究了Ge5-xSbxTe5(x=0，1，2)和mInSb·nInTe(m=1，n=2or3)相變存儲(chǔ)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。通過分析形成能、態(tài)密度和電子局域函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)的Ge4Sb1Te5的化學(xué)鍵特征和GeTe的非常類似，因此它們都只有一個(gè)立方晶相。由于Sb替換而額外引入的價(jià)電子，導(dǎo)致了Ge4Sb1Te5費(fèi)米能級(jí)附近的能態(tài)變化。隨著Sb替換Ge的增加，Ge3Sb2Te5合金表現(xiàn)出明顯的金屬電導(dǎo)特征；同時(shí)，材料內(nèi)部的化學(xué)

3、鍵變得非常不均勻。進(jìn)一步的，通過對(duì)mInSb·nInTe(m=1，n=2或3)系列相變合金的第一性原理總能計(jì)算，我們表明：晶態(tài)的In3Sb1Te2合金是個(gè)亞穩(wěn)態(tài)且可以分解成二元的InSb和InTe化合物；In4Sb1Te3比In3Sb1Te2能量上更容易獲得。通過分析電子局域函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于In4Sb1Te3合金中（In-Sb和In-Te鍵非常均勻），In3Sb1Te2合金中的化學(xué)鍵非常不均勻，這可能導(dǎo)致其容易發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)相變

4、，因此更適合做為相變存儲(chǔ)材料。通過這一系列相變合金的研究，我們希望本工作能對(duì)發(fā)展未來的相交儲(chǔ)存材料有一定的啟發(fā)。
　　 在第四章中，我們系統(tǒng)地研究了M3B4系列硼化物(M為ⅣB，ⅤB，ⅥB過渡族金屬元素，即Ti，V，Cr，Zr，Nb，Mo，Hf,Ta和W)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能、電子結(jié)構(gòu)以及化學(xué)鍵特征。所有被研究的Ta3B4構(gòu)型的過渡金屬硼化物在熱力學(xué)和力學(xué)上都是穩(wěn)定的。我們計(jì)算得到的晶格常數(shù)以及硬度和己報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好

5、。從計(jì)算得到的彈性常數(shù)，推導(dǎo)出了M3B4多晶顆粒的體模量、楊氏模量、剪切模量、泊松比、硬度和德拜溫度，同時(shí)討論了這系列硼化物中德拜溫度與硬度的關(guān)系。我們還通過分析Cauchy壓力、體模量與剪切模量的比值(K/G)和泊松比，揭示了過渡族金屬外層價(jià)電子對(duì)提高該系列硼化物韌性的重要作用。通過分析電子局域函數(shù)，從化學(xué)鍵的角度，我們認(rèn)為M3B4系列硼化物中方向鍵特征的遞減使得Cauchy壓力增大，從而提高了它們的韌性。最后，我們通過計(jì)算聲子譜，進(jìn)

6、一步證實(shí)了新預(yù)測(cè)的化合物Hf3B4和W3B4的穩(wěn)定性。
　　 此外，我們還研究了另一系列極難被壓縮的結(jié)構(gòu)材料——錸的碳化物和氮化物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算所得到的晶格參數(shù)和力學(xué)常數(shù)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)符合得很好。通過分析這些化合物的電子結(jié)構(gòu)和電子局域函數(shù)，我們認(rèn)為它們極難壓縮的機(jī)理在于：Re的5d軌道與C或N的2p軌道雜化（Re-N或Re-C鍵）以及Re的5d軌道與其自身的雜化（Re-Re鍵）增強(qiáng)了這些沿著c