学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

第一原理研究六方氮化硼不同结构的稳定性

作　者: 肖柳
导　师: 尹衍升
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料学
关键词: h一BN 电子结构弹性常数声子谱稳定性
分类号: O613.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 158次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

氮化硼(BN)是一类重要的Ⅲ—Ⅴ族带有离子性的共价化合物,具有优良的物理和化学性质,氮、硼原子采取不同杂化方式互相作用,可形成不同结构的BN晶体,其中,h-BN是BN的几种异构体中最常见和最容易制备的结构,B、N原子层状排列,每一层中原子共价键结合,层与层之间依靠范德华力结合,由于h-BN的结构特点造成其一个重要的特征就是堆垛顺序,X射线衍射已经证实了h-BN邻近位面各种形式的滑移和旋转能导致不同的对称型,而堆垛顺序的稳定性则影响了h-BN的很多性质,本文利用第一性原理平面波赝势密度泛函方法,采用基于密度泛函理论“总‘体能量-膺势平面波方法”的CASTEP总能计算程序软件包,建立了h-BN五种堆垛模型(A、B、C、D、E),研究了零温零压下h-BN五种堆垛结构的晶格常数、电子结构、弹性常数和声子谱。从能量角度和电子结构发现h-BN存在两种稳定结构A和D,一种亚稳态结构B,两种不稳定结构C和E,且不稳定结构都具有大的晶格参数c。并通过能带结构计算预测了五种结构的带隙值,A、B、C、D和E的带隙值分别为3.9685eV、3.4047eV、3.5167eV、4.1550eV和3.4810eV,其中A、C、D和E为间接带隙,B结构为直接带隙,B结构的存在改变了h-BN的电子结构,同时带来了h-BN带隙从间接带隙到直接带隙的关键性改变。而且,根据h-BN五种不同结构总态密度和B、N原子分波态密度及Mulliken布局数的分析更进一步解释了能带结构,同时得出各原子轨道上的电荷分布和成键关系,发现由于堆垛方式不同,导致原子键长及原子的电荷量发生变化。通过计算h-BN五种不同结构的弹性常数,采用Born稳定性准则判据得出A、B、D三种结构是弹性稳定的,而C、E这两种结构是弹性不稳定的。并与其他理论计算结果进行了比较。同时我们还得出晶体体积的大小对结构的体弹模量和剪切模量的大小有一定的贡献。根据声子谱的计算,从晶格动力学方面得出A、B、D三种结构声子振动光学模的趋势为正,标志着其结构的稳定性,这与其弹性稳定性是相一致的,而C、E两种结构分别在布里渊区r点和布里渊区边界A点出现了虚频,成为软模,标志着结构不稳定。本文采用三种不同的手段从不同角度来验证了h-BN五种结构的稳定性,得出的结果非常一致,即A、B、D结构是稳定的,而C、E结构是不稳定的。并从一定程度上解释了能带结构,确定了直接带隙和间接带隙,为h-BN的研究提供有力的理论依据,为实验提供可靠的理论支持,避免实验设计的盲目性。考虑到实际应用时的条件,关于h-BN温度或压力与电子结构的关系有待以后去研究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 引言  11-23
  1.1 BN的分类  11-12
  1.2 h-BN的结构、性质及其应用  12-13
  1.3 国内外研究现状及存在的及存在的问题  13-16
  1.4 计算的基本理论与方法  16-22
    1.4.1 第一性原理计算方法及分类  16-17
    1.4.2 基于密度泛函的第一性原理计算方法的产生和发展  17-18
    1.4.3 密度泛函方法的基本原理  18-21
    1.4.4 交换关联能与交换关联势  21-22
  1.5 本课题研究的目的及意义  22-23
2 CASTEP基本原理与方法  23-27
  2.1 赝势  24-25
  2.2. 平面波  25
  2.3. 快速傅立叶变换  25
  2.4. 超晶胞方法  25-26
  2.5. 自洽电子驰豫方法  26-27
3 h-BN不同相电子结构的计算  27-42
  3.1 物理量的定义  27-29
    3.1.1 能带理论  27-29
    3.1.2 态密度  29
    3.1.3 Mulliken集居数分析  29
  3.2 计算模型和计算方法  29-31
    3.2.1 计算模型  29-30
    3.2.2 计算方法  30-31
  3.3 晶体结构的计算结果分析  31-42
    3.3.1 晶体基本参数分析  31-33
    3.3.2 能带结构和态密度的分析  33-39
    3.3.3 Mulliken布局数  39-40
    3.3.4 电荷密度分布图分析  40-42
  3.4 本章小结  42
4 弹性常数的计算  42-52
  4.1 晶体的弹性理论  42-43
  4.2 弹性常数的物理本质  43-48
    4.2.1 应力、应变关系  43-48
  4.3 准各向同性的多晶体的模量与单晶体的弹性常数关系  48-49
    4.3.1 零压力条件下的关系  48-49
  4.4 弹性常数与能量的关系  49-50
  4.5 h-BN不同结构弹性性质的分析  50-52
  4.6 本章小结  52
5 声子谱的计算  52-61
  5.1 声子稳定性与晶体结构  52-53
  5.2 晶格振动与声子  53-55
  5.3 声子稳定性与软模  55-56
  5.4 晶格动力学的计算  56-58
  5.5 h-BN不同结构声子谱分析  58-61
  5.6 本章小结  61
6 总结  61-63
参考文献  63-70
致谢  70-71
个人简历  71
发表的学术论文  71

第一原理研究六方氮化硼不同结构的稳定性

内容摘要

全文目录

相似论文