TiC體性質(zhì)、表面性質(zhì)以及Al-TiC界面性質(zhì)的第一原理研究.pdf

1、作為一種過渡金屬碳化物，TiC不僅具有獨特的物理性質(zhì)，例如高熔點，高硬度，良好的耐磨性，而且由于其所具有的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，使其在科研和科技領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注。由于其具有良好的性能，TiC被廣泛應(yīng)用于顆粒增強復(fù)合材料，晶粒細(xì)化，微電子機械體系，聚變反應(yīng)堆墻，生物材料等方面。有關(guān)TiC實驗和理論方面的研究覆蓋了材料科學(xué)、物理和化學(xué)等各個方面。本文利用基于密度泛函理論的第一原理計算方法模擬研究了TiC的體性質(zhì)、表面性質(zhì)以及Al/TiC

2、界面性質(zhì)，為揭示A1-Ti-C中間合金的細(xì)化機制提供理論依據(jù)。
　　 本文首先計算了TiC的體相性質(zhì)。通過模擬其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、偏態(tài)密度及電荷分布等參數(shù)來了解其電子結(jié)構(gòu)和鍵合特性等方面的性質(zhì)。通過分析發(fā)現(xiàn)，TiC中的化學(xué)鍵可以歸類為具有金屬、離子和共價特征的混合，其中Ti-C共價鍵占主要部分，還有一部分的離子鍵，其與更少量的金屬鍵相結(jié)合。這也是TiC具有高熔點、高硬度和良好化學(xué)穩(wěn)定性的原因。
　　 通過對TiC體相構(gòu)型

3、進(jìn)行劈裂可得到TiC的表面構(gòu)型。將TiC的(001)、(110)、(111)三個表面進(jìn)行弛豫，分析其弛豫前后的晶體結(jié)構(gòu)變化和電荷分布情況可知，經(jīng)過結(jié)構(gòu)弛豫后，TiC三個表面的晶體結(jié)構(gòu)均變化很小且未發(fā)生表面重構(gòu)現(xiàn)象；弛豫只影響了構(gòu)型的頂部若干層，并未深入構(gòu)型內(nèi)部。隨著由表面向內(nèi)部推進(jìn)，電荷的變化量也逐漸減小。在相鄰層的Ti、C原子間均存在強烈的Ti-C共價鍵，經(jīng)過弛豫之后，在真空層和原子層之間出現(xiàn)了電荷的消耗或者積累，Ti-C鍵得到了增強

4、。由于TiC(111)表面為極性表面，因此又可分為Ti終止型和C終止型(111)表面。將四個表面的表面能進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，Ti終止(111)表面能最低，因此在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的表面。
　　 在界面計算部分，按照各表面的匹配關(guān)系構(gòu)造了Al(001)/TiC(001)、Al(110)/TiC(110)以及Ti終止Al(111)/TiC(111)和C終止Al(111)/TiC(111)四種界面模型。將四個界面構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫后分析其晶體結(jié)

5、構(gòu)變化、界面處的電荷分布和鍵合行為以及熱力學(xué)穩(wěn)定性等方面。弛豫后，四個界面的晶體結(jié)構(gòu)變化也很小，沒有表面重構(gòu)現(xiàn)象；弛豫過程只影響了界面構(gòu)型TiC側(cè)的頂部三/四層，并未深入構(gòu)型內(nèi)部。Ti原子、C原子和Al原子沿垂直于界面方向均略有移動，表明界面處Ti和C原子分別與Al原子間形成了一定的化學(xué)鍵；通過對界面構(gòu)型弛豫后電荷的再分布進(jìn)行分析可知，界面處Ti原子與Al原子之間形成共價/金屬混合鍵，C原子與Al原形成具有部分離子鍵性質(zhì)的極性共價鍵，且