硅和氮化硼新結(jié)構(gòu)及性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、硅和氮化硼是與碳最“近鄰”的元素組成的兩種物質(zhì)，與碳材料一樣也擁有極其豐富的微觀結(jié)構(gòu)。而結(jié)構(gòu)是材料的最基本信息，它決定了材料的性質(zhì)，因此研究這些材料的微觀結(jié)構(gòu)及其相變規(guī)律十分重要。本論文綜合利用了多種理論計(jì)算方法和高溫高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究了硅和氮化硼新結(jié)構(gòu)及相轉(zhuǎn)變的問題。
　　研究了實(shí)驗(yàn)中未解的硅新相及其形成機(jī)制。采用 CALYPSO結(jié)構(gòu)搜索軟件預(yù)測(cè)了一種新型硅同素異形體 Si10。與常用的金剛石結(jié)構(gòu)硅相比， Si10也是間接帶隙（

2、1.01 eV）半導(dǎo)體但擁有更高的光吸收效率，因此在太陽(yáng)能電池的應(yīng)用方面有巨大潛力。電子衍射花樣的對(duì)比與分析證明，Si10結(jié)構(gòu)可以解釋在硅的激光誘導(dǎo)受限微爆實(shí)驗(yàn)中未解的硅新相。結(jié)構(gòu)遺傳性分析提出了一種硅材料新的形成機(jī)制，即作為密封層的SiO2在激光誘導(dǎo)受限微爆實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)分解產(chǎn)生過渡態(tài)的Si5原子團(tuán)，再通過自組裝聚合得到了亞穩(wěn)相Si10。
　　預(yù)測(cè)了一種金屬性的硅同素異形體hP12-Si。第一性原理計(jì)算表明它可以在常壓下亞穩(wěn)存在，

3、而且金屬性主要來自結(jié)構(gòu)中的5配位硅原子。結(jié)構(gòu)遺傳性和能量分析表明，可以效仿Si24的合成方法來制備hP12-Si。
　　理論研究了普通六方氮化硼樣品中存在的結(jié)構(gòu)缺陷。通過手動(dòng)建模的方式搭建了8種新型三層周期的層狀氮化硼結(jié)構(gòu)。這8種新型層狀氮化硼結(jié)構(gòu)的能量都要低于實(shí)驗(yàn)觀察到的AA層狀氮化硼結(jié)構(gòu)，因此這些新提出的氮化硼結(jié)構(gòu)也可能存在于普通hBN樣品或其它亂層氮化硼結(jié)構(gòu)中。在這些結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)擁有直接帶隙的層狀氮化硼結(jié)構(gòu)（AAb和AB

4、c結(jié)構(gòu)），為解釋六方氮化硼樣品的直接帶隙測(cè)量結(jié)果提供了直接的證據(jù)。
　　以系列層狀氮化硼結(jié)構(gòu)作為亂層氮化硼的結(jié)構(gòu)模型，通過理論模擬探索了亂層氮化硼結(jié)構(gòu)的高壓相變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了一種新型氮化硼結(jié)構(gòu) tR3-BN。理論計(jì)算表明tR3-BN具有比纖鋅礦氮化硼相更低的能量，因此可以在常壓下亞穩(wěn)存在。tR3-BN結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有立方氮化硼和纖鋅礦氮化硼的結(jié)構(gòu)特征，理論計(jì)算了它和立方氮化硼的硬度都為67 GPa屬于超硬材料。tR3-BN晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部