高压下Na-Si晶体结构预测及电子性质第一性原理模拟

具有开放骨架结构的新型Na-Si化合物不仅具有良好的物理性能,也可用作合成具有优异性能的Si同素异构体的前驱物.本研究采用CALYPSO结构搜索软件预测得到了一种具有开放骨架结构的新型Na-Si化合物P2/m-NaSi_5.通过计算形成焓表明,在压强高于2.1 GPa条件下,该结构的热力学稳定.在10 GPa压强下,结构优化后得到其晶体学数据,并分析了结构特点.声子谱曲线表明其晶格动力学稳定.采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数,发现该结构表现出金属性.     

ScB_2的高压结构和电子性质的密度泛函计算（英文）

本论文用广义梯度近似(GGA)密度泛函方法研究了具有AlB_2结构的ScB2从0GPa到100GPa高压下的结构和电子性质.在0GPa下的结果与现有实验和理论数据相符.获得的结构性质的压强依赖性显示出ScB2的结构受压强的影响很小.另外还计算了高压下ScB_2电子的态密度和部分态密度.我们发现高压强明显的改变了电子态密度分布的轮廓,并且还发现费米能级附近的态密度随着压强的升高而减小,表明高压下ScB2电子杂化轨道能量在下降.     

超硬材料BC_2N的一种新亚稳结构及其高压物性预测

硼(B)、碳(C)、氮(N)轻元素因具有较小的原子半径和极强的相互键合能力,其形成的化合物极易形成强共价键和高原子密度的三维网状致密结构,从而成为寻找制备超硬材料的备选体系.本文基于最新研究的机械性能优异的体心四方碳结构模型,构造了一种具有四方对称结构、空间群为I4/mmm的BC2N潜在超硬化合物新结构.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了该化合物四方相新结构的热力学、力学和动力学稳定性,表明该四方相BC2N至少在0–60 GPa的压力范围内是力学和动力学稳定的;热力学计算结果显示该结构结合能稍高于BC2N化合物中最稳定的纤锌矿结构,表明新构造的四方结构是BC2N化合物的一个亚稳结构,且其不可压缩性大于其他的硼-碳-氮类化合物如B2CN, BC4N等.在结构稳定性研究的基础上,本文计算了该四方相BC2N化合物在0–60 GPa压力范围内的电子结构,发现其在零压下具有2.16 eV的带宽,为半导体,且随着压力的增加,带隙逐渐加宽;高压弹性特性研究表明BC2N化合物四方结构的体弹性模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、德拜温度、最小热导率和弹性波速均随压力增加呈现出不同的增加趋势且属脆性体质,其弹性各向异性在高压下变得更加明显;同时,大的体弹性模量、大的剪切模量及高维氏硬度表明所构造的空间群为I4/mmm的四方结构是BC2N化合物的一种潜在超硬新结构.     

高压下c-Zr_3N_4弹性性质和热力学性质的第一性原理研究

利用平面波赝势密度泛函理论方法研究了高压下c-Zr3N4的结构性质和弹性性质,由此获得了c-Zr3N4在高压下的体弹模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性质.高压弹性常数计算结果表明,在小于50 GPa下,c-Zr3N4没有发生相变,是力学稳定的,而且各向异性因子计算表明其具有弹性各向异性.此外,高压下c-Zr3N4的B/G计算结果表明,在此压强范围内,c-Zr3N4具有较好的延展性.最后利用准谐德拜模型研究了c-Zr3N4的热动力学性质,得到了其高压下的热容、德拜温度和热膨胀系数等参数.研究c-Zr3N4在高压下的弹性性质和热动力学性质,对实验研究具有一定的参考价值.     

镁铝尖晶石高压相变的理论计算

运用密度泛函(DFT)平面波赝势方法(PWP),计算了镁铝尖晶石三种物相的状态方程和热力学生成焓以及在0～50GPa高压范围内的力学性质.研究结果表明:利用状态方程得到的镁铝尖晶石转变为CF相和CT相的相变压强分别为26.79GPa和30.19GPa,与实验值误差分别为+0.79GPa和-11.81GPa;而利用热力学生成焓,在GGA近似下得到的CF相的相变压强为24.52GPa;LDA近似下CT相的相变压强为39.85GPa,与实验值误差为-1.48GPa和-2.15GPa.在对高压下镁铝尖晶石三种相结构的力学稳定性的分析发现,尖晶石相在压力超过30GPa时力学结构变得不稳定,而两个高压相在...     

LiN3高压下结构稳定性和电子结构的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法对LiN3在高压下的结构稳定性和电子结构进行了研究.对结构稳定性的研究表明在60 GPa的压力范围内C2/m结构的LiN3能始终保持稳定,与实验研究结果间取得了很好的一致.此外,对压力下电子结构的分析表明随着压力的增大LiN3的带隙宽度有明显的减小,可能发生从绝缘体到半导体的电子结构的转变.     

新型超硬单斜硼氮化合物的理论设计

超硬材料的典型代表氮化硼在工业领域的广泛应用一直备受人们关注.本研究以M-碳结构为基础,利用第一性原理计算,设计了三种空间群为Cm的超硬单斜硼氮化合物(命名分别为Cm-BN-1、Cm-BN-2和Cm-BN-3).声子谱计算显示,Cm-BN-1和Cm-BN-2动力学稳定,Cm-BN-3动力学不稳定.态密度计算显示,Cm-BN-1和CmBN-2为直接带隙半导体,带隙宽度分别为2.69和3.90 e V.计算结果也显示,Cm-BN-1和Cm-BN-2两种结构具有高的体积模量,分别为357.51和361.75 GPa,呈现出不可压缩性能,以及维氏硬度分别为58.0和60.4 GPa的超硬性能.     

第一性原理研究c-BN和h-BN的弹性性质与电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对c-BN和h-BN的弹性性质和电子结构进行理论计算,通过Voigt-Reuss-Hill方法计算得到多晶体的体模量、切变模量及杨氏模量.结果表明:c-BN和h-BN的弹性模量分别为913 GPa和239 GPa,切变模量分别为409 GPa和98 GPa,硬度分别为67和16 GPa.K/G和泊松比均表明2种化合物具有很大的脆性.同时,根据计算得到的2种化合物的电子结构图进一步分析了二者弹性性质的差异.     

新型超硬材料BC2N的第一性原理研究

应用基于粒子群优化算法的卡里普索（CALYPSO）晶体结构预测方法, 我们发现了一种新型的具有四方结构的BC2N的同素异形体, 空间群为I4/MMM. 利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对该新型BC2N结构的电子能带结构、 态密度、 以及弹性性质展开了深入的研究. 计算结果发现： 此BC2N结构动力学稳定, 并且具有较大的体弹模量 (3544 GPa) 和剪切模量 (3755 GPa); 同时, 理论计算还表明该结构是一个带隙宽度为216 eV的直接带隙半导体, 其维氏硬度值可达到656 GPa. 因此, BC2N有望成为一种潜在的新型超硬材料和发光材料. 本工作将为人们探索新型的超硬材料提供一定的理论依据.     

基底偏压对NbN-NbB_2纳米复合薄膜相变与力学性能的影响

利用多靶磁控共溅射技术,在不同基底偏压下制备了多组NbN-NbB_2纳米复合膜,用以探究偏压对复合膜显微结构和力学性能的影响.分别利用X线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪对复合膜的结构、断面形貌、表面粗糙度及其硬度和弹性模量进行测试.实验结果表明:偏压为-160 V时,NbN-NbB_2复合薄膜中出现了立方相δ-NbN与六方相δ′-NbN的混合相,并以δ-NbN(111)晶面取向为主相;此时,复合膜结晶性最强,且具有非晶NbB_2穿插在结晶态NbN中和结晶态NbN紧密包覆非晶NbB_2的相互嵌入式复合结构,这种结构的形成使复合膜的硬度最高达到26.542GPa,弹性模量为291.154GPa;增加偏压至-200V时,复合膜中δ-NbN(111)逐渐向δ′-NbN(110)取向发生转变.退火处理后复合膜硬度值无明显变化,且趋于稳定,说明复合膜具有良好的热稳定性.     

压力下NaN_3结构稳定性、力学性质和电子结构的理论研究

采用基于密度泛函理论的从头算平面波超软贋势方法研究了压力对NaN_3结构稳定性、力学性能以及电子结构的影响.对能量和力学参量的计算结果表明,R-3m结构是NaN_3在零压下的稳定性结构.随着压力的增加,在5 GPa的压力范围内NaN_3会发生从R-3m结构到C2/m结构的结构相变,而C2/m结构的NaN_3在压力超过20 GPa以后也不能够保持稳定.该结果与实验研究结果间取得了很好的一致.此外,对电子结构的研究表明,常压下两种结构NaN_3都表现出了绝缘体的性质.随着压力的增加,C2/m结构NaN_3的价带和导带宽度都略有增加,而带隙宽度略有减小.     

压力导致SrZrO3和ZnCr2O4结构相变第一性原理模拟研究

采用第一性原理基于密度泛函平面波赝势方法来详细研究了 SrZrO3 和 ZnCr2O4 的结构,力学和电子性质.分别通过分析压力下 SrZrO3 的能带宽度和弹性模量,我们预测SrZrO3 分别在30 GPa 和 20～25 GPa 下发生相变.通过分析压力下 ZnCr2O4 的弹性常数,我们预测 ZnCr2O4 在 ...     

Li3Bi结构、力学和电子性质的第一性原理计算

 基于密度泛函的线性响应理论,通过第一性原理的赝势方法,对Fm-3m相Li₃Bi的结构、力学和电子性质做了系统的研究.优化得到的平衡结构参数与实验值符合得很好.计算表明,Fm-3m结构在零压下的焓最低,满足力学稳定标准,是最稳定的结构.计算得到的Fm-3m相Li₃Bi的块体模量、剪切模量和弹性模量分别为30.2,25.5 GPa和59.6 GPa.德拜温度是312 K.Li₃Bi具有小的弹性各向异性特征,是窄带隙的间接带隙半导体,带隙为0.45 eV.     

SCB2的高压结构和电子性质的密度泛函计算

本论文用广义梯度近似(GGA)密度泛函方法研究了具有AlB2结构的ScB2从0Gpa到100Gpa高压下的结构和电子性质。在0Gpa下的结果与现有实验和理论数据相符。获得的结构性质的压强依赖性显示出ScB2的结构受压强的影响很小。另外还成功的计算了高压下ScB2电子的态密度和部分态密度。我们发现高压强明显的改变了电子态密度分布的轮廓,并且还发现费米能级附近的态密度随着压强的升高而减小,表明高压下ScB2电子杂化轨道能量在下降。     

Nb2N3的力学和电子性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究Nb₂N₃的晶体结构、 力学、 晶格动力学和电子性质.  结果表明: Nb₂N₃常压下具有正交η-Ta₂N₃结构, 其弹性常数满足波恩-黄昆判据, 且晶格动力学稳定; Nb₂N₃具有较大的体弹性模量（304 GPa）和硬度（19.3 GPa）, 由于Nb ₄d-轨道与N ₂p-轨道杂化形成三维Nb\|N共价键, 因此Nb₂N₃为离子性较强的半导体材料.     

BaC2高压相R3m的电子结构与力学性质的第一原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究BaC₂高压相R3m的晶体结构、 力学、  热力学和电子结构等性质. 计算结果表明:  BaC₂的I4mmm相较高压相R3m的离子性更强. 在0 K 时, 由BaC₂的I4mmm相转变为R3m相的压强为3.6 GPa, 与实验结果相符. 高压相R3m的弹性常数满足波恩\|黄昆判据, 因而其晶格力学性质稳定. 布居数分析表明, 在高压下, 从Ba原子至C原子的电荷转移在I4mmm至R3m相变过程中所起的作用较大.      

压力下钒发生相变的第一性原理计算

利用投影缀加波方法对金属钒加压至400 GPa左右的结构相变过程进行了第一性原理研究. 计算了相变中的热力学转变压力和失稳转变压力, 并对相变前后的电子性质进行了研究. 结果表明: 钒在低压下为体心立方结构, 随着压力增大转变为菱方结构, 压力继续增大最后又重新转变为体心立方结构. 热力学计算得到的BCC→rhu(α>109.47°)→rhl(α<109.47°)→BCC三次转变压力分别为27,104和310 GPa. 利用剪切弹性常数C44计算得到的2次失稳压力分别为52和255 GPa. 能带计算表明, 在加压过程中高对称点Γ处靠近费米能级的能带由低压下的非电子占据态变为高压下的占据态, 而费米能级以上的电子态密度计算可见明显的s,p-d带间电子迁移现象.     

La3和La4分子的结构与性质分析

在La原子的相对论有效原子实势下,用密度泛函B3LYP方法对La3分子和La4分子的各种可能的结构进行优化计算.结果表明,La3分子有3种稳定结构,其中D3h结构最稳定,为基态.La4分子存在10种稳定结构,其中平面C2V结构最稳定.详细讨论了Td构型和D4h构型的Jahn-Teller效应,结果表明,它们的各种畸变方式都符合群的分解原理.