学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

压力诱发ZnO材料相变机制的研究

作　者: 陈昌斌
导　师: 姜振益
学　校: 西北大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO 第一性原理 声子谱 分子动力学模拟 相变
分类号: O521.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 60次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算方法,结合平面波赝势方法,采用局域密度近似对ZnO进行研究。系统地研究了ZnO晶体六角纤锌矿结构(B4)、闪锌矿结构(B3)、CsCl结构(B2)、以及立方NaCl结构(B1)相的晶格动力学、平衡晶格常数、体弹模量等与原子结构相关的性质。通过总能随体积的关系,说明四种不同结构的相稳定性顺序和可能的体积相关相变的趋势。进一步计算了T=0 K时体系的吉布斯自由能随压强的变化曲线,并对可能的相变压强进行计算,结果表明：我们的计算与相关的实验值和其他理论值相符合。显然,对相变机制的研究才是我们的重点。在论文中我们运用了两种不同的理论来研究ZnO的相变机制,一种是软模理论,一种是分子动力学模拟。通过分析这两种方法计算出来的结果,可以得出这样的结论：(1)纤锌矿的声子谱的横向声学模随着压强的增加反而减小,大约在10GPa左右在M点和H点附近出现虚频,通过对M点振动本征位移的分析,我们从软模理论的角度出发进一步证明了,纤锌矿到岩盐结构的相变路径是“四角”路径而非“六角”。然而,对于B2相却又是另一种现象。随着压强的增加声子谱的虚频越来越小,当压强增加到340GPa时虚频消失了。这说明B2结构只可能在340GPa以上存在。(2)发现WZ→RS、ZB→RS的相变压强分别为33GPa、27GPa,其值在上述30-35GPa、25-30GPa之间。再者对纤锌矿、闪锌矿和岩盐结构焓的计算表明：纤锌矿和闪锌矿分别到岩盐结构的相变压强都是10GPa,其中纤锌矿的相变压强与试验值和理论值都很接近；闪锌矿的值比实验值要大一些,但比其他理论计算要小一点。纤锌矿和闪锌矿之间在压强单独作用的情况下是不可能有相变发生的因为随着压强的增加二者焓的变化趋势是一致的。但是如果在压强和温度二者的共同作用下可能会有相变发生。(3)通过常压第一性原理分子动力学方法来研究压力诱发ZnO纤锌矿的结构相变。结果发现这个相变过程由三个连续的步骤组成：首先,WZ相沿着c轴方向压缩转变成空间群为P63/mmc“六角”结构；其次,在剪切形变的作用下“六角”结构不稳定,又转变成了对称性是Fmmm的正交中间态；最后,当原子移动到“四方”体中心时就形成岩盐结构。从这个角度上看此相变机制是“六角”路径,而非“四角”。(4)通过上面的结论可得出,在低压下WZ→RS相相变路径是“四方”路径,高压下WZ→RS为“六角”路径,这与其他人研究得到的结论是一致的。(5)同样运用分子动力学方法从原子角度出发描述了ZB→RS相相变机制。对于ZB→RS的相变机制通过分析,我们预测其相变路径可以描述成：立方→四方→单斜,其中间结构是空间群为Cm的单斜晶系结构,这个结论与SiC、ZnS中ZB→RS用分子动力学模拟和经典动力学模拟预测的相变机制保持高度的一致。

全文目录


目录  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章 绪论  9-21
  1.1 引言  9-11
  1.2 ZnO的基本性质  11-13
    1.2.1 ZnO的电学性能  12
    1.2.2 ZnO的光学性能  12-13
  1.3 计算机模拟计算研究材料的重要意义  13-14
  1.4 第一性原理(fist-principles calculation)  14
  1.5 目前ZnO理论计算模拟的现状  14-17
    1.5.1 国内外研究现状  14-16
    1.5.2 已经明确解决与尚未完全解决的问题  16-17
  1.6 本论文选题的动机、思路方法、内容和理论研究的意义  17-21
    1.6.1 选题的动机  17-18
    1.6.2 研究的思路方法和内容  18-19
    1.6.3 理论研究的意义  19-21
第二章 理论基础  21-39
  2.1 密度泛函理论介绍  21-25
  2.2 密度泛函基础理论  25-29
    2.2.1 Born-Oppenheimer绝热近似  25-26
    2.2.2 Hartree-Fock近似  26-29
  2.3 软模理论与结构相变  29-30
  2.4 相变  30-32
  2.5 交换关联泛函  32-35
    2.5.1 局域密度近似(LDA)  32-34
    2.5.2 广义梯度近似(GGA)  34-35
  2.6 赝势方法  35
  2.7 自洽场计算  35-36
  2.8 分子动力学模拟  36-39
第三章 密度泛函理论的数值计算方法  39-47
  3.1 ABINIT软件介绍  39
  3.2 ABINIT计算方法和参数的设置  39-42
    3.2.1 截断能的设置  40-41
    3.2.2 k点的设置  41-42
  3.3 Siesta软件介绍  42-43
  3.4 Siesta计算方法和参量的设置  43-47
    3.4.1 截断能的设置  43-44
    3.4.2 k点的设置  44-47
第四章 不同结构ZnO的相稳定性分析  47-53
  4.1 模型的建立  47-48
  4.2 abinit分析不同相的平衡结构参数  48-51
    4.2.1 结构优化  48-50
    4.2.2 总能与体积的关系  50-51
  4.3 Siesta分析不同相的平衡结构参数  51-52
    4.3.1 结构优化  51-52
    4.3.2 总能与体积的关系  52
  4.4 本章总结  52-53
第五章 声子谱与相变  53-65
  5.1 H-P关系  54-55
  5.2 声子谱与压强关系  55-61
    5.2.1 WZ声子谱与压强关系  55-57
    5.2.2 ZB声子谱与压强关系  57-58
    5.2.3 RS声子谱与压强关系  58-60
    5.2.4 CsCl结构声子谱与压强关系  60-61
  5.3 相变机制  61-63
    5.3.1 WZ→RS的相变机制  61-62
    5.3.2 ZB→RS的相变机制  62-63
  5.4 本章总结  63-65
第六章 分子动力学模拟与相变  65-79
  6.1 H-P关系  65-67
  6.2 常压模拟  67-69
    6.2.1 WZ结构  67-68
    6.2.2 ZB结构  68-69
  6.3 相变机制  69-77
    6.3.1 WZ→RS相变机制  70-73
    6.3.2 ZB→RS相变机制  73-77
  6.4 本章总结  77-79
第七章 工作总结与展望  79-83
参考文献  83-91
硕士期间发表和完成的论文  91-93
致谢  93

相似论文

  1. 半透明材料辐射与相变耦合换热研究,V259
  2. 化学吸附法脱除FCC汽油中含硫化合物的研究,TE624.55
  3. 掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算,O643.36
  4. 锂离子电池电极材料黑磷与LiMn2O4的第一性原理研究,TM912
  5. 锂离子层状正极材料LiMO2（M=Co，Ni，Mn）的第一性原理的研究,TM912
  6. 固体氧化物燃料电池负极材料Srn+1TinO3n+1（n=1,2,3,∞）的第一性原理研究,TM911.4
  7. 石墨烯制备及其缺陷研究,O613.71
  8. Ir表面上NH3催化分解与氧化反应机理的理论研究,X131.1
  9. 铁基超导材料的第一性原理研究,O511
  10. 基于微乳液体系制备ZnO光催化材料,O614.241
  11. 掺Eu的α-SiAlON荧光材料的第一性原理研究,TB34
  12. 高压下碱金属（Li，Na，K）结构与光学性质的第一性原理研究,O521.2
  13. ZnO掺杂效应的第一性原理研究,O614.241
  14. ZnO杂化材料的制备、缺陷调控及其光学性质的研究,TB33
  15. 多功能Fe3O4/ZnO/SiO2纳米复合材料的制备及性能研究,TB383.1
  16. 掺杂对新型超硬材料强度影响的第一性原理研究,O469
  17. HRB400MPa生产工艺及组织性能研究,TG335
  18. Ni片上组装TiO2纳米管阵列和TiO2/ZnO纳米棒阵列膜光催化辅助电解水制氢研究,TQ116.21
  19. 相变存储器测试方法及测试系统的研究,TP333
  20. 基于二氧化钒相变的二维可调带隙光子晶体,O734
  21. 金红石二氧化钛磁性和光学性质的第一性原理研究,O614.411

中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 高压与高温物理学 > 高压物理学 > 物质在高压下的物理性质 > 高压相变
© 2012 www.xueweilunwen.com