過渡金屬硼化物的相穩(wěn)定性和物理性能的第一性原理計算.pdf

1、近年來，過渡金屬硼化物被視為潛在的超硬材料，引起人們的廣泛關注，并對其進行了大量的理論和實驗研究。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算，對過渡金屬鉻硼化物和鎢硼化物晶體結構、熱力學性質、力學性質和動力學性質進行了研究。主要研究成果如下：
　?。?）采用基于密度泛函理論的第一性原理對過渡金屬鉻硼化物的晶體結構、熱學力學和動力學性質進行了系統(tǒng)的研究。對于所考慮的結構，計算得到的晶格常數(shù)與先前的理論和實驗研究結果相吻合。計算結果表明

2、，hP12-CrB2(表示具有hP12-WB2結構的 CrB2，后面按此定義)、oI10-CrB4和 oP10-CrB4的維氏硬度分別為42.7GPa、45GPa和46.1GPa，是潛在的超硬材料。通過計算所得的生成焓預測了化合物的熱力學穩(wěn)定性，并結合能量凸包的研究，提出 tI12-Cr2B、tI16-CrB、和 oP10-CrB4為基態(tài)相；隨著壓強的增加，實驗上合成的另外三種化合物oI14-Cr3B4、oC20-Cr2B3和hP3-C

3、rB2在熱力學上變得越來越穩(wěn)定，并成為最穩(wěn)定相。對于 CrB3，我們詳細討論了由壓強引起的結構相變、體積壓縮比和軸向壓縮比。通過聲子色散曲線，討論了它們的動力學穩(wěn)定性。
　　（2）將晶體結構預測方法與第一性原理方法結合起來，研究了 WB3的晶體結構、力學和熱力學性質。對于WB3，我們使用USPEX軟件進行了結構預測，選擇了五種能量較低結構，分別為：WB3_187_1u、WB3_187_2u、WB3_187_3u、WB3_164_2

4、u和 WB3_150_4u；我們也考慮了七種可能的結構（WB3_m-AlB2、WB3_6u、WB3_4u、WB3_OsB3、WB3_FeB3、WB3_TaB3和WB3_TcP3）。研究表明，0GPa時，WB3_6u具有最低的生成焓。所選結構的相對熱力學穩(wěn)定性順序為 WB3_6u＞W(wǎng)B3_4u＞W(wǎng)B3_OsB3＞W(wǎng)B3_187_3u＞W(wǎng)B3_m-AlB2＞W(wǎng)B3_187_2u＞W(wǎng)B3_FeB3＞W(wǎng)B3_TaB3＞W(wǎng)B3_164_2u＞W(wǎng)B

5、3_TcP3＞W(wǎng)B3_150_4u。當壓強超過12GPa以后，WB3_OsB3成為熱力學上最穩(wěn)定的相。當壓強為100GPa時，相對熱力學上的穩(wěn)定性順序變?yōu)?WB3_OsB3＞W(wǎng)B3_187_3u＞W(wǎng)B3_TaB3＞W(wǎng)B3_187_2u＞W(wǎng)B3_6u＞W(wǎng)B3_4u＞W(wǎng)B3_m-AlB2＞W(wǎng)B3_164_2u＞W(wǎng)B3_FeB3＞W(wǎng)B3_TcP3＞W(wǎng)B3_150_4u。通過對化合物軸向壓縮比進行研究，發(fā)現(xiàn)WB3_OsB3和WB3_187_3u

6、沿c軸方向具有超不可壓縮性，表明它們是超不可壓縮材料。在保護涂層方面，具有潛在的應用價值。
　?。?）我們也討論了含 W空位缺陷鎢硼化物的相穩(wěn)定性和力學性質。我們分別建立了以 W2B9（P-3m1）、WB3_4u（P63/mmc）和 WB3_OsB3（P-6m2）為初始結構的超胞，去掉超胞中的一個W原子形成W空位缺陷。為了忽略缺陷與缺陷之間的相互作用，盡量將超胞中間位置的鎢原子取代為空位。
　　研究結果表明，隨著缺陷濃度的增