ZnS-MgS半导体合金和W-B超硬化合物的结构预测及物性研究
发布时间：2020-07-31 20:25
【摘要】：ZnS是一种重要的宽带隙半导体材料,与MgS形成合金以后,带隙值可以得到调节,能够大大拓宽它的应用范围。钨硼化合物不仅具有和传统超硬材料相比拟的力学性质,而且不需要高压这种极端条件就可以合成,是一种极具潜力的新型超硬材料。但这两个体系至今没确定的不同相之间的关系和复杂的结构,阻碍了人们对它们更深入的认识。本论文采用基于遗传演化算法的晶体结构预测与第一性原理相结合的方法,首先对ZnS,MgS及ZnS-MgS半导体合金和W-B超硬化合物这两个体系可能存在的结构进行预测,然后分析了所得到结构的电子和力学性质,获得了以下创新性的结果:1、对于二元半导体材料ZnS和MgS,我们系统的探索了它们在0到180 GPa压力范围内的晶体结构,并分析了这些结构的电子性质。我们成功的在低压下找到了ZnS和MgS的已知结构,并且在更高的压力下首次发现ZnS的高压相四方结构P4/nmm和MgS的两个高压相立方结构P213和三方结构R3?,其中P4/nmm是个金属相,表明传统的半导体材料ZnS在压力的作用下最终变成了金属。通过详细的焓值计算,我们得到了这些结构之间的相变压强,其中ZnS已知的正交相Cmcm在67 GPa时相变为P4/nmm,MgS已知的立方相B1在128 GPa时相变为P213然后在157 GPa时相变为R3?,并且我们计算的ZnS和MgS已知相之间的相变压力与实验值一致。2、对于ZnS-MgS合金,我们使用晶体结构预测的方法在0到180 GPa的压力范围内发现了四个不同Mg组份的稳定结构:Pmm2-MgZn_7Mg_8,P21/m-MgZn_3S_4,P4/nmm-MgZnS_2,和R3-Mg_8ZnS_9,并构建了压强与组份的完整相图。通过进一步的研究,我们发现合金结构的形成中二元化合物ZnS和MgS的高压相起主导作用:富Zn合金(MgZn_7Mg_8,MgZn_3S_4,和MgZnS_2)主要基于ZnS的高压四方相P4/nmm,而富Mg合金(Mg_8ZnS_9)主要基于MgS的高压三方相R3?。通过计算它们的能带,我们得到了合金带隙与组份和压强的关系,并指出了合金与二元化合物结构之间的关系导致了合金的带隙值在富Zn组份的时候随着Mg组份的增加而增加,到富Mg组份的时候开始减小。3、对于W-B超硬化合物,在0到40 GPa的压力范围内,我们系统的研究了它们的稳态和亚稳态的晶体结构。两种稳定结构P4?2_1m-WB、P21/m-W_2B_3和三种低能亚稳结构Ama2-W_6B_5、R3m-W_2B_5和Pmmn-WB_5被我们首次发现。此外,我们的计算表明对于有争议的WB_4在大约1 GPa以上的压力下存在稳定的结构P6_3/mmc-2u,而不是以前所报道的常压。我们构建了在0到40 GPa的压力范围内W-B体系完整的相图,并给出了所预测结构具体的晶格参数。通过分析W-B体系结构的力学性质,我们得到了以下两个重要结论:(1)我们预测的WB的基态结构P4?2_1m表现出了更高的硬度相比于以前所报道的α和β相。(2)W-B体系中WB_2,WB_4和WB_5是有潜力的超硬材料,其中我们预测的亚稳态结构Pmmn-WB_5是W-B体系所有结构中最硬的。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【图文】：
MgS 和 ZnS-MgS 合金的结构和电子性质(MgS)n(m+n≤12) 合金的结构进行了预测。所预测结构的弛豫和总能计算使用密度泛函理论（DFT），采用广义梯度（GGA）的方法，这一切在 VASP 中实现对于电子和离子之间的相互作用，我们采用了投影缀加平面波（PAW）的方法镁原子，锌原子和硫原子的 3s2，3d104s2和 3s23p4被认为是价电子。在结构优化中，截断能选取为 500eV，k 点在倒易空间的网格为 0.07 -1，对于更高精度的优化和自洽采用 0.04 -1。声子谱的计算采用 PHONOPY 程序[43,44]。对于弛豫后的结构，我们采用 TB-mBJ 的方法来计算能带结构[45,46]。2.3 ZnS 和 MgS 的晶体结构和电子性质(Crystalandbandstructureof ZnS and MgS)
如图 2-2 (b)所示。我们计算了 MgS 的各个相每个原子的体积随压强的关系，如图2-2(d)所示，B1 相与 P213 相之间的转变伴随着体积的连续变化，说明是二阶相变，而 P213 相到 R3 相之间的转变伴随着体积的突变说明是一阶相变。值得注意的是，以前有报道 MgS 的 B1 相会在 167GPa 的时候相变为 B2 相，但是我们的
硕士学位论文焓值计算表明我们发现的 R3 相具有比 B2 结构更低的焓值，平均每个分子式在160GPa 时要低高达 0.45eV，这说明了 B2 结构在热力学上是很不稳定的。为了揭示这一系列复杂结构相变的深层机理，我们计算了这些结构在相变压力附近的声子谱，如图 2-3 所示。ZnS 的 B1 相，Cmcm 相和 MgS 的 B1 相在相变压力附近都出现了虚频，表明了 ZnS 的 B1→Cmcm→P4/nmm 之间的相变和 MgS 的B1→P213 间的相变都是由于结构的动力学不稳定引起的。
本文编号：2776967
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304
【图文】：
MgS 和 ZnS-MgS 合金的结构和电子性质(MgS)n(m+n≤12) 合金的结构进行了预测。所预测结构的弛豫和总能计算使用密度泛函理论（DFT），采用广义梯度（GGA）的方法，这一切在 VASP 中实现对于电子和离子之间的相互作用，我们采用了投影缀加平面波（PAW）的方法镁原子，锌原子和硫原子的 3s2，3d104s2和 3s23p4被认为是价电子。在结构优化中，截断能选取为 500eV，k 点在倒易空间的网格为 0.07 -1，对于更高精度的优化和自洽采用 0.04 -1。声子谱的计算采用 PHONOPY 程序[43,44]。对于弛豫后的结构，我们采用 TB-mBJ 的方法来计算能带结构[45,46]。2.3 ZnS 和 MgS 的晶体结构和电子性质(Crystalandbandstructureof ZnS and MgS)
如图 2-2 (b)所示。我们计算了 MgS 的各个相每个原子的体积随压强的关系，如图2-2(d)所示，B1 相与 P213 相之间的转变伴随着体积的连续变化，说明是二阶相变，而 P213 相到 R3 相之间的转变伴随着体积的突变说明是一阶相变。值得注意的是，以前有报道 MgS 的 B1 相会在 167GPa 的时候相变为 B2 相，但是我们的
硕士学位论文焓值计算表明我们发现的 R3 相具有比 B2 结构更低的焓值，平均每个分子式在160GPa 时要低高达 0.45eV，这说明了 B2 结构在热力学上是很不稳定的。为了揭示这一系列复杂结构相变的深层机理，我们计算了这些结构在相变压力附近的声子谱，如图 2-3 所示。ZnS 的 B1 相，Cmcm 相和 MgS 的 B1 相在相变压力附近都出现了虚频，表明了 ZnS 的 B1→Cmcm→P4/nmm 之间的相变和 MgS 的B1→P213 间的相变都是由于结构的动力学不稳定引起的。
【相似文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 赵昌明;ZnS-MgS半导体合金和W-B超硬化合物的结构预测及物性研究[D];中国矿业大学;2018年
本文编号：2776967
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2776967.html
