導(dǎo)電性超硬材料的第一性原理計算研究.pdf

1、本論文主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，計算研究導(dǎo)電性超硬材料的理想強度等物理性質(zhì)。導(dǎo)電性材料在國防、工業(yè)乃至日用生活中都有廣泛的應(yīng)用。在國防和工業(yè)應(yīng)用中還會對導(dǎo)電性材料的硬度或強度有較高的要求。研究設(shè)計超硬、超強的導(dǎo)電性材料具有重要的理論和實用意義。
　　 論文的第一、二章簡單介紹了相關(guān)的研究背景與理論基礎(chǔ)知識。
　　 在第三章中，我們研究了由輕元素組成的導(dǎo)電性超硬材料類金剛石結(jié)構(gòu)的BC3(d-BC3)，計

2、算了d-BC3在不同應(yīng)變下拉伸與切變理想強度。對該材料的電子態(tài)密度計算結(jié)果顯示d-BC3不但在平衡結(jié)構(gòu)位置甚至在大尺度拉伸和切變形變下依然保持金屬性。通過計算分析d-BC3在各方向上的理想強度結(jié)果，比較得到最弱方向上的理想切變強度，從而確定d-BC3是一種迄今具有導(dǎo)電性的最硬超硬材料之一。為配合實驗合成這種材料，我們又模擬了兩種層狀BC3的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。并指出其中一種層狀結(jié)構(gòu)可以通過跨越較低的勢壘合成類金剛石結(jié)構(gòu)d-BC3材料。
　

3、　 在第四章中，我們對Fe4N材料進(jìn)行了計算研究。Fe4N材料由于具有很高的飽和磁矩以及很高的硬度特別適用于需要耐磨磁性材料的應(yīng)用領(lǐng)域，如設(shè)計高密度磁記錄設(shè)備的磁頭等等。由于在[001]方向上Fe和N原子的距離最近，可以形成較強的原子鍵，以往的理論和實驗一般都認(rèn)為Fe4N結(jié)構(gòu)的(001)晶面具有最大的強度。我們對Fe4N結(jié)構(gòu)在各低指數(shù)晶面，如(001)、(011)、(111)、(112)面，完成了基于第一性原理的拉伸強度和切變強度計算

4、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(011)晶面具有比其它各晶面更好的機械性質(zhì)，(001)面的切變強度比其它晶面的切向強度值高出35％。我們的計算結(jié)果表明如果實驗上能生長高質(zhì)量單相(011)Fe4N薄膜，可以設(shè)計更理想的高密度記錄磁頭。
　　 在第五章中，我們計算研究了一種新型的特硬材料OsB2。由單純輕元素(B、C、N等)組成的(絕緣或?qū)щ?超硬材料的合成都需要極高的壓力和溫度，大規(guī)模生產(chǎn)需要很高的成本。近年來國外有研究小組提出利用過渡金屬和共價鍵輕

5、元素形成的化合物或許更加容易得到既導(dǎo)電又具有良好機械強度的新型超硬材料。一般來講，共價輕元素(B、C、N等)的共價鍵是很強的化學(xué)鍵，并且具有良好的方向性，可抵抗材料的切向形變；而過渡金屬元素的高密度價電子可使材料具有很高的體彈性模量，使材料結(jié)構(gòu)不易被壓縮。將共價元素?fù)饺氲竭^渡金屬中就是結(jié)合了兩種化學(xué)鍵的優(yōu)點，從而達(dá)到增強結(jié)構(gòu)的抗壓縮和切向形變能力，從而提高結(jié)構(gòu)的硬度。OsB2是第一批采用這種機制合成的樣品，實驗發(fā)現(xiàn)在(001)面上它的V

6、ickers硬度達(dá)到30GPa，高于一般的鋼鐵材料，有可能成為新型的鋼鐵器件的研磨切割工具，以及耐磨防腐涂層。但我們通過第一性原理計算研究發(fā)現(xiàn)OsB2在一些晶面上的切向強度具有極大的各項異性，如(001)晶面上沿[010]方向的切向強度(約10GPa)只是[100]方向切向強度(約30GPa)的三分之一，OsB2并不適合用來設(shè)計新型的鋼鐵器件的研磨切割工具。我們的計算結(jié)果表明簡單的硬度實驗并不能精確地探測OsB2結(jié)構(gòu)的強度特性，設(shè)計新型

7、的超硬材料時應(yīng)特別注意研究材料在原子尺度的結(jié)構(gòu)畸變和失穩(wěn)模式。
　　 在第六章中，我們研究了刻痕硬度實驗中壓頭下正壓力對材料硬度的影響。ReB2是過渡金屬和共價鍵輕元素化合物超硬材料的又一典型結(jié)構(gòu)。ReB2材料引起廣泛的注意是因為實驗發(fā)現(xiàn)這一材料可以在金剛石表面上留下劃痕，顯示出很高的(劃痕)硬度。但刻痕硬度實驗卻顯示ReB2材料的維氏硬度只有20～30GPa，遠(yuǎn)低于金剛石的維氏硬度(約為100GPa)。為解釋這一現(xiàn)象，我們采用