Si-C-N三元系中新型亞穩(wěn)相的第一性原理研究.pdf

1、由Si、C和N元素所組成的二元化合物及三元化合物具有優(yōu)秀的機(jī)械、化學(xué)和熱性能，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。關(guān)于這類材料的實(shí)驗(yàn)與理論研究從未間斷過(guò)，然而具有明確化學(xué)計(jì)量比和結(jié)構(gòu)的Si-C-N化合物仍然非常少。本論文采用CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)程序?qū)iCN和Si3N4進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，采用CASTEP第一性原理計(jì)算模塊創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，并對(duì)預(yù)測(cè)和創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性判定，研究了亞穩(wěn)相的能帶結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，彈性模量以及理論維氏硬度。
　　采用C

2、ASTEP計(jì)算模塊，通過(guò)對(duì)N原子在3C-SiC結(jié)構(gòu)中取代C原子、取代Si原子以及占據(jù)第一類或第二類間隙位置的結(jié)構(gòu)的計(jì)算，研究了N原子在3C-SiC結(jié)構(gòu)中不同占位對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，及N原子的含量對(duì)SixCyNz的電子性質(zhì)、彈性模量和維氏硬度的影響。結(jié)果顯示僅當(dāng)N原子取代C原子并且C原子被取代的比例為1/4和1/8時(shí)的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，由于與C原子相比，N原子的多一個(gè)外層電子，因此C原子被N原子取代后的結(jié)構(gòu)具有電子導(dǎo)電的特性，而隨著N原子比例

3、的增加，硬度逐漸降低。
　　采用CALYPSO程序和CASTEP模塊相結(jié)合的方法，預(yù)測(cè)了Si:C:N=1:1:1的SiCN的晶體結(jié)構(gòu)，并與Kawamura所提出的c-SiCN結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究。發(fā)現(xiàn)與c-SiCN結(jié)構(gòu)相比之下，本論文所預(yù)測(cè)的三個(gè)結(jié)構(gòu)，不論是常壓相t-SiCN，還是高壓相o-SiCN和h-SiCN，在能量上都更具有優(yōu)勢(shì)。t-SiCN是一種具有窄帶隙的超硬材料，o-SiCN和h-SiCN是具有空穴導(dǎo)電性的硬材料。

4、>　　采用CALYPSO程序和CASTEP模塊相結(jié)合的方法，預(yù)測(cè)了Si3N4的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了兩種能量介于穩(wěn)定β相和高壓γ相之間的結(jié)構(gòu)t-Si3N4和m-Si3N4，以及一種相對(duì)于γ相的相變壓力點(diǎn)為198GPa的更高壓的相o-Si3N4。三種結(jié)構(gòu)都是具有寬帶隙的半導(dǎo)體，硬度與α、β和γ相的硬度相當(dāng)，并且隨著壓力的增加而變高。隨著壓力的增加，在常壓下都是脆性材料的三種結(jié)構(gòu)的Si3N4，先后變成韌性材料。隨著常壓相向高壓相的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，對(duì)于

5、它們?cè)诹銐合碌某谠ソY(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子的配位鍵數(shù)的逐漸增多，并且鍵長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)。
　　采用CASTEP計(jì)算模塊以常壓相中相類似的Si-N層為基礎(chǔ)層，通過(guò)一系列的對(duì)稱操作，構(gòu)建了多種類β-Si3N4相的氮化硅結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們的形成焓、穩(wěn)定性、各種性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。由于α相中的原子層堆垛順序ABCD(CD層為AB層的鏡面反射層)與傳統(tǒng)意義上的堆垛順序有沖突，因此本論文對(duì)類β-Si3N4結(jié)構(gòu)中的原子層的堆垛順序進(jìn)行了重新的定義。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)