硼钛化合物的第一性原理研究
发布时间：2020-07-20 09:59
【摘要】：硼钛化合物(Ti_2B、TiB和TiB_2)具有高熔点、高硬度、高导热系数、低电阻率、低功函数和优良的导电性等优点,成为新一代多功能材料的研究热点。除了这种潜在的应用以外,硼钛化合物能够作为集成电路中的互连材料,同时还能够作为扩散势垒以阻止元素与衬底之间的互相作用。本论文基于第一性原理对硼钛化合物的晶体结构、稳定性、电学性质、光学性质、力学性质和热力学性质进行了系统研究:首先,基于第一性原理研究了硼钛化合物的晶体结构、能带结构和态密度。通过广义梯度近似得到的晶格常数与实验值符合较好,保证计算结果的可靠性。能带结构显示费米能级处存在许多能级重叠且无明显带隙,表明其呈现出金属特性。通过分析态密度得知,Ti-3d轨道的自由电子是呈现金属性的主要原因,而且费米能级附近的赝能隙是硼钛化合物态密度图中的普遍特征。分析赝能隙处的分态密度,得知Ti-3d和B-2p轨道杂化是产生赝能隙的主要原因。随着硼组分的增加,价带顶区域B-2s和B-2p轨道态密度曲线分别向高能量和低能量区域移动,导带底区域Ti-3d轨道向低能量区域移动并成为总态密度的主要贡献。其次,通过第一性原理研究了硼钛化合物的光学性质。硼钛化合物的静态介电常数(0)较大,表明其是潜在的介电材料,在高能量区域(30eV~40eV),介电常数出现振荡现象。随着硼组分的增加,硼钛化合物光吸收系数增加并向光子能量较高区域移动(蓝移),表明其是潜在的光电材料。在可见光区域具有较高的反射系数,表明其是一种很有前途的隔热涂层材料。在可见光区域和高能量区域硼钛化合物的光电导率较大,是较好的光电导器件材料。最后,通过第一性原理分析了硼钛化合物的力学性质和热力学性质。斜方晶系(FeB型和CrB型)TiB在x、y和z方向上具有较高的剪切模量和较小的弹性各向异性,FeB型TiB在[100]方向上存在强化学键,在y轴方向具有最大的各向异性。立方晶系(NaCl型)TiB由于具有较高的原子配位数,导致其硬度最小,而且在x方向具有很高的体积模量。六方晶系TiB_2具有较强弹性各向异性,弹性模量存在较强的方向依赖性。由于Ti-B键比B-B键共价性弱,可能是TiB_2弹性各向异性的主要原因。斜方晶系TiB呈现脆性,立方晶系TiB呈现延性。TiB_2的剪切模量最高,硬度最大,杨氏模量在各晶向上的差异最大。对于本文中所研究的硼钛化合物,可以通过降低晶体结构中硼的含量来降低弹性模量。TiB_2的密度较小且弹性模量最大,故具有最大的弹性声速和德拜温度。立方晶系TiB弹性常数最小,横波声速、纵波声速和平均声速最小,故德拜温度最小。因此TiB_2导热率最强,而立方晶系TiB最弱。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：
正后的波函数较为平滑，故所需要的平面波基组较少。由于改造后的波函数不存在节点，则不再需要求解近核电子，赝势波函数的本征值就为价电子的近似解。图2.1 原始的波函数（蓝色）与模守恒赝势下的波函数（红色）的比较。
[38]等人提出了 CrB 型晶体结构。图3.1 硼钛化合物的晶体结构 (a) Ti2B；(b) NaCl 型 TiB；(c) FeB 型 TiB；(d) CrB 型 TiB；(e) TiB2本文分别对这三种 TiB 进行了计算，图 3.1（b）、3.1（c）和 3.1（d）分别表示了三种不同结构的TiB。NaCl型TiB晶体是面心立方结构（Face-Centered Cubic，FCC），空间群为 Fm-3m。NaCl 型 TiB 晶胞中包含 4 个原胞，B 原子占据4a(0，0，0)位置，Ti 原子位于 4b(0.5,0.5,0.5)
[52]。图3.3 硼钛化合物的态密度 (a) Ti2B；(b) NaCl 型 TiB；(c) FeB 型 TiB；(d) CrB 型 TiB；(e) TiB2如图 3.3（e）中 Ti-s 轨道的 PDOS 所示，Ti-4s 轨道主要位于费米能级之上的区域，这表明键合之后 4s 轨道的价电子失去了。B 的 2s 轨道和 2p 轨道的积分强度之和超过 3，意味着 Ti 原子损失价电子的一部分转移到了 B 原子。损失的价电子的另外一部分作为了 Ti-3d 轨道的增量自由电子态，如图 3.3（e）Ti-3d 轨道 PDOS 所示，Ti-3d 的接近自由电子态是 TiB2金属性的主要原因。观察图 3.3 可知：这五类硼钛化合物随着硼组分的增加，价带区域 B-2s 轨道的DOS 曲线向高能量区域移动；而 B-2p 轨道的 DOS 曲线向低能量较区域移动；导带区域 B-2s 轨道和 B-2p 轨道的态密度值都增大；对于 Ti-3d 轨道，价带区域态密度峰
本文编号：2763290
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：
正后的波函数较为平滑，故所需要的平面波基组较少。由于改造后的波函数不存在节点，则不再需要求解近核电子，赝势波函数的本征值就为价电子的近似解。图2.1 原始的波函数（蓝色）与模守恒赝势下的波函数（红色）的比较。
[38]等人提出了 CrB 型晶体结构。图3.1 硼钛化合物的晶体结构 (a) Ti2B；(b) NaCl 型 TiB；(c) FeB 型 TiB；(d) CrB 型 TiB；(e) TiB2本文分别对这三种 TiB 进行了计算，图 3.1（b）、3.1（c）和 3.1（d）分别表示了三种不同结构的TiB。NaCl型TiB晶体是面心立方结构（Face-Centered Cubic，FCC），空间群为 Fm-3m。NaCl 型 TiB 晶胞中包含 4 个原胞，B 原子占据4a(0，0，0)位置，Ti 原子位于 4b(0.5,0.5,0.5)
[52]。图3.3 硼钛化合物的态密度 (a) Ti2B；(b) NaCl 型 TiB；(c) FeB 型 TiB；(d) CrB 型 TiB；(e) TiB2如图 3.3（e）中 Ti-s 轨道的 PDOS 所示，Ti-4s 轨道主要位于费米能级之上的区域，这表明键合之后 4s 轨道的价电子失去了。B 的 2s 轨道和 2p 轨道的积分强度之和超过 3，意味着 Ti 原子损失价电子的一部分转移到了 B 原子。损失的价电子的另外一部分作为了 Ti-3d 轨道的增量自由电子态，如图 3.3（e）Ti-3d 轨道 PDOS 所示，Ti-3d 的接近自由电子态是 TiB2金属性的主要原因。观察图 3.3 可知：这五类硼钛化合物随着硼组分的增加，价带区域 B-2s 轨道的DOS 曲线向高能量区域移动；而 B-2p 轨道的 DOS 曲线向低能量较区域移动；导带区域 B-2s 轨道和 B-2p 轨道的态密度值都增大；对于 Ti-3d 轨道，价带区域态密度峰
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 姚强;邢辉;孟丽君;孙坚;;TiB_2和TiB弹性性质的理论计算[J];中国有色金属学报;2007年08期
本文编号：2763290
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2763290.html
