單鍵立方相氮的第一性原理研究.pdf

1、本文利用基于密度泛函的第一性原理計(jì)算軟件CASTEP，詳細(xì)研究了一類全新的、以單鍵形式相結(jié)合的氮材料—單鍵立方相氮（single-bonded cubic form of nitrogen），也即立方偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的氮（cubic gauche，cg-N）。這種單鍵立方相氮是在115GPa的高壓和2000K的高溫下，直到最近才在實(shí)驗(yàn)上首次制備成功的。單鍵立方相氮具有奇異的性質(zhì)并有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而目前幾乎還沒有針對其基本的物理性質(zhì)，如力

2、學(xué)、光學(xué)等的研究，因此在本論文中我們對其基本的物理性質(zhì)，即力學(xué)性質(zhì)，光學(xué)性質(zhì)和晶格動力學(xué)及相關(guān)的熱學(xué)特性展開了研究。 在對cg-N的力學(xué)性質(zhì)的研究工作中，我們首先討論了單鍵立方相氮在不同壓強(qiáng)下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)單鍵立方相氮在0壓下是一種亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，在壓強(qiáng)高于60GPa 時(shí)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。然后我們對在0-600GPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)的單鍵立方相氮的內(nèi)部參數(shù)x和帶隙的變化展開了討論，隨著壓強(qiáng)的升高，x逐漸減少，這意味著單鍵立方相氮在足夠高的壓強(qiáng)下有

3、可能變?yōu)楹唵瘟⒎浇Y(jié)構(gòu)。有趣的是cg-N的帶隙也隨壓強(qiáng)的升高而變小。我們預(yù)測在680GPa時(shí)，帶隙消失，發(fā)生一個(gè)非金屬到金屬的相變。最后，我們對力學(xué)性質(zhì)展開了系統(tǒng)地研究，并得到了一些基本的力學(xué)常數(shù)，如體模量，楊氏模量等。根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)果，我們認(rèn)為單鍵立方相氮是一種堅(jiān)硬的材料。對單鍵立方相氮的彈性常數(shù)和彈性各向異性隨壓強(qiáng)的變化我們也進(jìn)行了討論。發(fā)現(xiàn)單鍵立方相氮在我們所討論的壓強(qiáng)范圍內(nèi)滿足力學(xué)穩(wěn)定性的一般要求，并且在約75GPa時(shí)，變?yōu)閺椥?/p>

4、各向同性。 在對光學(xué)性質(zhì)的研究工作中，我們首先討論了cg-N的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)帶主要來自N的2p軌道的貢獻(xiàn)，價(jià)帶的-25.61eV到-15eV部分主要由N的2s軌道貢獻(xiàn)，而價(jià)帶的-15到-8.57eV和-5.69到0eV卻主要是由N的2p軌道構(gòu)成。接下來我們計(jì)算了其介電函數(shù)，吸收系數(shù)、能量損失譜、反射率、折射率指數(shù)和傳導(dǎo)率等光學(xué)常數(shù)。同時(shí)我們把金剛石的光學(xué)常數(shù)列出來并作了全面的比較。我們發(fā)現(xiàn)單鍵立方相氮和金剛石一

5、樣是一種寬帶隙的光學(xué)材料，然而其它的光學(xué)性質(zhì)兩者卻有明顯的差異。 在對單鍵立方相氮進(jìn)行晶格動力學(xué)及相關(guān)的熱學(xué)性質(zhì)的研究中，我們首先得到了其聲子的色散關(guān)系及相應(yīng)的態(tài)密度。我們發(fā)現(xiàn)在Γ點(diǎn)有三條聲學(xué)支，9條光學(xué)支。所有的9條光學(xué)支均為拉曼活性模，其中三重簡并的模同時(shí)還為紅外活性模。通過對聲學(xué)支的分析我們得出了橫波和縱波的聲速分別為9.38和11.54km/s。接著我們對其熱容和熱焓，自由能及熵進(jìn)行了討論，并和金剛石的熱容作了比較。我們