新型超硬材料R3m-BC2N的弹性及其各向异性的研究

本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法首先计算了R3m-BC2N的弹性普适各向异性指数A^U及各向异性分数比AB，AG，表明R3m-BC2N是弹性各向异性材料．然后研究了不同晶向上的拉伸与剪切的应力应变曲线．由于其各向异性，在[1000]和[0001]晶向上R3m-BC2N显脆性，而在（O001）[0010]晶向上材料具有较强的韧性．接着利用声学波速计算得到传播方向为[0001]，（0001）上的热导率，显示了此材料的热导率各向异性．最后计算其电子结构，得到其禁带宽度为3．756eV．综上，所有研究都为实验合成R3m—BC2N提供了一定的理论基础．     

HfO_2多型体的弹性、慢度和热导率及其各向异性研究

本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势和模守赝势研究了四种晶相Hf O2的弹性、慢度和热导率及其各向异性,通过计算得到四种结构的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比.根据泊松比和Pugh模量比分析了四种材料的键合属性;根据弹性各向异性分数比AB,AG和AE以及剪切各向异性因子A1,A2和A3的计算值,说明四种晶相Hf O2是弹性各向异性的;又通过弹性模量的三维立体图形展示了四种晶相Hf O2的弹性各向异性.计算得到的声学波速以及不同晶向上的最小热导率,显示了四种晶相Hf O2声学波速和热导率的大小及其各向异性,并绘出慢度在XY,YZ和ZX平面上的图形.     

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.     

第一性原理研究Pmmm-Al2Ti的结构、电子性质和热传输性质

运用第一原理方法和粒子群优化算法预测了一个新的Al_2Ti亚稳相,其具有正交结构和Pmmm空间群,并满足动力学和弹性稳定性要求.电子结构分析发现Al-Ti共价键、Al的sp2杂化和金属键共同存在于Pmmm-Al_2Ti中,这将有助于增强其高温强度.与r-Al_2Ti和h-Al_2Ti相比,Pmmm-Al_2Ti的延性较好.Pmmm-Al_2Ti呈现出明显的力学各向异性,其杨氏模量最大值出现在[110]晶轴方向.室温下Pmmm-Al_2Ti的晶格热导率呈现各向异性,沿[100]晶轴方向的晶格热导率比[010]和[001]方向的晶格热导率分别高2.6和1.4倍.此外,还发现声光耦合对于Pmmm-Al_2Ti的热导率有重要作用.该研究有助于进一步增加对TiAl亚稳相的结构、电子性质、力学性质和热传输性质的认识.     

Mg1-xScx合金理想强度的第一性原理计算

采用第一性原理计算方法研究了Mg_1-xSc_x（0.10c合金bcc[001]和hcp[0001]理想强度随Sc组分的增加显著增加;合金bcc[001]理想强度在Sc组分从15at.%增加至25at.%时增加了25%,而hcp[0001]理想拉伸强度增加8.6%,说明Sc合金化对Mg的bcc相稳定化效果显著。MgSc合金hcp[0001]的理想强度约为bcc[001]的10倍,对应hcp[0001]理想强度的应变约为bcc[001]的3倍,说明hcp相结构稳定性显著强于bcc相。Mg和Sc基态均为hcp结构,Sc合金化对hcp合金理想强度的影响略小。     

石墨晶体中电子动量分布的各向异性研究

测量了石墨和纳米碳样品沿不同方向的正电子湮没辐射Doppler展宽谱,研究样品中电子动量分布.结果表明,纳米碳样品的缺陷浓度高于石墨;石墨中自由电子的平均动量高于纳米碳.石墨晶体中的自由电子动量分布表现出显著的各向异性: 沿石墨晶体的[0001]方向的自由电子(即2Pz电子)的动量最大;偏离该方向越大,自由电子的动量越小;垂直于[0001]方向的自由电子的动量最小.而且,Doppler展宽谱的S参数与cos2θ呈线性关系(θ是石墨[0001] 晶向与探头方向的夹角);而纳米碳中自由电子动量的分布不存在明显的各向异性.     

超硬材料bc-B_nCN(n=1,2,4)的弹性、硬度及其各向异性

本文基于密度泛函理论的第一性原理,分别运用平面波超软赝势和模守恒赝势,选用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)势场计算了所选3种结构bc-BnCN(n=1,2,4)的弹性和硬度,并分析了它们的弹性各向异性和塑性各向异性各自的差异.结果表明,3种结构在热学和力学上均稳定.能量计算结果显示,B含量最低的bc-BCN形成焓和结合能绝对值最大,结构最稳定,起因于它含有较多能量相对较低的B—N,B—C,C—N键及最少的B—B键.该3种晶体的弹性模量和硬度分析表明,随着B原子数的增多,弹性模量和硬度逐渐减小.根据对普适弹性各向异性指数AU,弹性模量各向异性分数比AB,AG,以及剪切模量各向异性因子A1,A2和A3的计算,分析了3种结构的弹性各向异性,结果表明bc-BCN具有优于c-BN的各向异性性能.通过对这3种结构进行拉伸和剪切模拟得到理想应力-应变曲线,发现其形变过程也呈现出各向异性,指明了不同结构的易屈服面及滑移方向且bc-BCN是3种bc-BnCN(n=1,2,4)中最易合成和最适合应用的超硬材料.     

垂直增强型氧化镓MOSFET器件自热效应研究

本文设计了垂直增强型Ga₂O₃ MOSFET器件,针对氧化镓材料的热导率低,通过研究不同晶向材料、不同热阻和不同温度下器件的输出特性,分析器件的温度分布特点,对Ga₂O₃ MOSFET的热学特性进行分析.热导率模型通过研究氧化镓不同晶向时对器件的输出特性及温度分布的影响,得到[010]晶向的热导率最好, T=300 K时,比其他晶向的热导率高约0.1 W/cm K,相同电压下对应的输出饱和电流最大(V_gs=3 V时, I_dsat>400 A/cm²).进一步研究了不同晶向Ga₂O₃ MOSFET在不同环境温度时的输出特性曲线,随着热阻降低,器件边界散热能力提高,自热效应的影响被抑制,源漏饱和电流增大,边界热阻在0.01–0.005 cm²K/W时可确保器件的正常工作.这些都为日后优化器件性能提供了可靠的方法和参考价值.     

第一性原理研究Ba2O2S的结构、电子和热传输性质

运用第一性原理和机器学习算法预测2种Ba₂O₂S结构,其具有P-3m1和P63/mmc空间群.通过弹性和声子特性计算发现2种结构都满足动力学和弹性稳定性要求.分析电子结构发现2种结构均为直接带隙半导体,带隙分别为4.6和4.5 eV,Ba—S和Ba—O键都是离子键型.B1-Ba₂O₂S和B2-Ba₂O₂S的晶格热导率表现出各向异性,[100]和[010]方向的热导率比[001]方向的晶格热导高约1.6倍.预测的2种结构的多晶热导率约为1.86和1.40 W·m^-1·K^-1,因而Ba₂O₂S可以作为潜在的隔热材料.由于B1-Ba₂O₂S的群速度外积分值要高于B2-Ba₂O₂S,因此导致B1-Ba₂O₂S的热导率略高于B2-Ba₂     

四方晶相HfO2电子结构和弹性常数的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论(DFT)框架下局域密度近似(LDA)平面波超软赝势法,计算了四方晶相HfO2基态的电子结构和弹性系数矩阵.根据晶体场理论和分子轨道理论分析了四方晶相HfO2的分子轨道成键,其结果与计算得到的态密度图能很好吻合.计算得到四方晶相HfO2的弹性系数C11、C12、C13、C33、C44和C66分别为397.38、256.23、114.92、390.66、52.70和168.90GPa,体积模量为234.73(±5.51)GPa,在[100]和[001]方向上的杨氏模量分别为227.51 GPa和350.26 GPa.计算结果与其他文献值基本相符,这为四方晶相FfO2的实际应用提供了理论依据.     

Ni/Al层合结构热传导性能的非平衡分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了[111]方向的Ni/Al层合结构的热传导性能.首先模拟了温度为300 K下[111]方向Ni/Al层合结构的热传导,通过分析界面处的声子态密度,发现交换热冷浴位置之后,层合结构的热参数基本没有变化,说明热冷浴的位置对结果影响不大.其次讨论了300 K下单层的Ni/Al层合结构的尺寸效应,计算结果表明随着系统尺寸的增大,界面热阻值逐渐减小并趋于平缓,并分别讨论了Ni和Al的热导率的尺寸效应;采用外推法计算了无限大系统下Ni和Al的声子热导率以及声子平均自由程,结合Wiedeman-Franz定律计算了Al和Ni的电子热导率,得到了Al和Ni的总热导率,并与实验值进行比较,结果与实验值在同一量级.然后讨论了传导方向为[001]和[110]时层合结构的界面热传导性,并和[111]方向的结果对比,发现界面热阻具有明显的各向异性.最后讨论了双周期层的Ni/Al层合结构的热传导性能,结果表明最靠近热浴的界面温度跳跃值最大,对应的界面热阻值最大,即对层合结构的热传导性能影响最大;与相同长度的单周期层结构对比,发现双周期层结构的热导率明显要小,因此可以通过增加材料的层数来提高隔热效果.     

R_2Fe_(14)B型化合物中磁晶各向异性起源的理论分析

对于 R_2Fe_(14)B(其中 R 为稀土元素)型化合物中的磁晶各向异性的起源进行了理论分析。认为 R_2Fe_(14)B 的磁晶各向异性主要与 R 离子的4f 电子组态有关。应用 Hund 法则计算并绘制出了各种稀土离子的4f 电子的几率密度空间分布图。根据这类图形,对于 R_2Fe_(14)B 型化合物中的磁晶各向异性作了成功的解释。     

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.     

B_(13)C_2型C_(14)N晶体结构及弹性性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了B13C2(B12CBC)中B12二十面体所有B原子被C原子取代,以及C-B-C三原子链中B原子被N原子取代后材料的性质变化.通过对比计算研究发现,取代后得到的化合物C14N体积减小、弹性性质进一步提高、金属性增强、材料的理论硬度有所改善.C与C明显形成方向性强的类金刚石四面体键,有利于其弹性的提高.     

类硅烯[CH（R）N]_2SiLiF（R=H和t-Bu）的构型及异构化反应

用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-31G（d）计算水平上首次研究了N-杂环类硅烯[CH（R）N]_2SiLiF（R=H和t-Bu）的构型及异构化反应。计算得到了[CH（H）N]_2SiLiF的五个平衡构型和[CH（t-Bu）N]_2SiLiF的四个平衡构型。两种类硅烯的各构型中,包含四元环结构的p-络合物构型都是最稳定的,是实验上可能存在的构型。三元环构型、σ-络合物构型和＂经典＂四面体构型都是不稳定的。t-Bu基团增强了σ-络合物构型的稳定性,但减小了类硅烯的复合能,从而进一步证明了t-Bu取代的硅烯的稳定性。     

基于ABAQUS的各向异性复合材料梁的分析研究

基于大型有限元著名软件ABAQUS,对复合材料梁有限元分析进行了研究.以承受均布荷载的悬臂梁作为实例进行分析,根据Lekhniskii的各向异性弹性理论应力解答,推导得出梁弯曲轴线的方程,然后把有限元数值计算结果与各向异性弹性理论解答对比分析,验证ABAQUS对复合材料梁建模分析的正确性,并讨论材料各向异性、材料弹性主轴方向以及高跨比对结果的影响.     

稀土化合物RPt2In2(R=Ce,Pr,Nd)的磁性和晶场效应

基于晶场理论,通过对Chen测量的稀土化合物RPt2In2(R=Ce,Pr,Nd)磁化率倒数-温度曲线的模拟,得到了RPt2In2的晶场系数、分裂能和相应波函数,计算结果与实验吻合较好.计算表明:Kramers离子Ce3 和Nd3 在晶场效应的作用下基态简并部分消除得到了双基态,而非Kramers离子Pr3 基态分裂后得到了单基态.     

黄铜矿MgGeP2的几何结构，弹性性质和热学性质的研究

利用第一性原理的密度泛函方法对MgGeP_2结构性质,弹性性质和热力学性质进行了系统的研究,得到了平衡态的晶格常数,能带带隙,弹性系数和其他相关的热力学参数.通过对结果进行理论分析发现:MgGeP_2在零压下属于直接带隙半导体,带隙值为1.522eV.而弹性性质计算说明MgGeP_2是各向异性且具有良好塑性的材料.在0~40GPa的压强和0~800K温度范围内,利用准谐德拜模型理论计算了热膨胀系数,热容CV和Cp,熵和德拜温度随压强和温度的变化趋势.     

HRR奇异解在非线性粘弹性情况下的推广

基于非线性粘弹性理论中的弹性回复对应原理 [1 ]和 HRR奇异解 [2 - 3 ] ,提出了求幂率型硬化非线性粘弹性材料裂纹问题在两类不同边界条件下的对应原理 ,并得到了幂率型硬化非线性粘弹性裂纹尖端应力、应变和位移场 ,通过理论分析和计算表明该解答正是幂率型硬化非线性粘弹性裂纹问题的解析解     

旋转磁化法在六角晶系中的应用：理论与模拟

用VSM在固定外场大小下旋转样品,由测得的旋转磁化曲线推知具有面内单轴磁各向异性的薄膜材料的磁各向异性场,是一种测量材料一阶和二阶磁晶各向异性常数的新方法.该文基于能量最小原理,对具有平面型各向异性的六角晶系的面内旋转磁化曲线进行了严格的理论推导.我们将理论模型应用于具有六角晶系的平面型各向异性的球形颗粒中,系统讨论了不同大小的外场在基面内旋转时颗粒的旋转磁化曲线.理论计算结果与蒙特卡洛模拟结果相符.研究发现,在外磁场远小于磁晶各向异性场时,为了拟合实验的旋转磁化曲线,必须充分考虑矫顽力对磁化反转过程的影响.我们的工作证明,通过VSM测量旋转磁化曲线为确定六角晶系的面内磁晶各向异性常数K3提供了新途径,并提出当外场的大小约为面内各向异性场的0.2时,测量效果最佳.