TiN材料电子结构和力学性能的第一原理计算

发布时间：2017-04-28 22:02

  本文关键词：TiN材料电子结构和力学性能的第一原理计算，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 近年来,基于密度泛函理论的第一原理(First-principle)计算方法得到了很大的发展。目前,大量的计算程序被广泛用于自然科学的各个领域,包括凝聚态物理、材料科学、计算机科学、地质、化学和生物学等。第一原理计算方法已经成为科学研究中的一个常用的手段。 氮化钛(TiN)是一种新型陶瓷材料,因为其具有高强度、高硬度等优异性能而有着非常广泛的应用,也因此引起了国内外对TiN的广泛研究。国际上已经有不少人用VASP对包括TiN在内的过渡金属化合物的电子结构和力学性能计算并进行了理论分析,而在国内关于TiN性能的计算并不多。 在本文中,我们采用了基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一性原理计算方法,运用VASP软件包对TiN的电子结构和力学性能进行了计算研究。我们对TiN的晶格常数作了优化,得到优化后的晶格常数为4.26(?),比实验值大了0.02(?),误差仅为0.5%,与实验值符合得非常好;画出了能带结构图和和态密度图,通过对两个图的分析验证了TiN是金属的这一结论,并且得出TiN的金属特性主要是由Ti元素的3d电子所决定的这个结论;计算了晶体的结合能和弹性常数:结合能为14.08 eV,剪切模量、体积模量和弹性模量的值分别为211.84 GPa,2.79 Mbar,507.16GPa,这些结果与实验值及已有的用不同计算方法(如FLAPW-GGA,FLAPW,LMTO-ASA等)得到的结果基本一致,其中体积模量值稍微偏小,剪切模量值稍微偏大的结果是密度泛函理论方法本身的局限性造成的;TiN的体积模量值与金刚石的相比要小的多,却有着很高的硬度,这一矛盾的现象要求我们对TiN微观结构进行进一步的探讨。
【关键词】：氮化钛 能带结构 态密度 弹性常数 硬度
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ174.75
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 引言10-12
• 1.2 密度泛函理论12-18
• 1.2.1 Hohenberg-Kohn定理12-13
• 1.2.2 Kohn-Sham方程13-15
• 1.2.3 交换关联能泛函的简化15-16
• 1.2.4 局域密度近似的局限和改进16-17
• 1.2.5 广义梯度近似(GGA)17-18
• 2 VASP软件介绍18-30
• 2.1 VASP程序的优点和功能18-19
• 2.2 VASP程序相关理论19-22
• 2.2.1 基组19
• 2.2.2 赝势理论19-21
• 2.2.3 超软赝势(US-PP)21
• 2.2.4 投影扩充波(PAW)方法21-22
• 2.3 VASP程序的主要输入文件22-24
• 2.3.1 INCAR文件22-23
• 2.3.2 POTCAR文件23
• 2.3.3 POSCAR文件23
• 2.3.4 KPOINTS文件23-24
• 2.4 VASP程序的主要输出文件24-25
• 2.4.1 OUTCAR文件24
• 2.4.2 CHG和CHGCAR文件24
• 2.4.3 DOSCAR和EIGENVAL文件24-25
• 2.4.4 其他文件25
• 2.5 VASP计算实例25-30
• 2.5.1 Cu(100)表面水分子的吸附25
• 2.5.2 硅基体内热施主的形成25-27
• 2.5.3 计算晶体硅能带实例27-30
• 3 用VASP软件对TiN电子结构的研究30-38
• 3.1 引言30-31
• 3.2 平衡晶格常数31-33
• 3.3 能带结构及态密度33-36
• 3.3.1 能带理论33-34
• 3.3.2 能带结构及态密度的计算34-36
• 3.4 结合能36-38
• 4 用VASP软件对TiN力学性能的研究38-44
• 4.1 材料的弹性常数38-39
• 4.2 计算原理39-40
• 4.3 具体计算过程40-42
• 4.4 硬度与弹性常数42-43
• 4.5 完整超胞及有空位情况的计算43-44
• 5 结论44-45
• 参考文献45-48
• 附录 A48-50
• 附录 B50-53
• 作者简历53-55
• 学位论文数据集55

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 熊志华,孙振辉,雷敏生;基于密度泛函理论的第一性原理赝势法[J];江西科学;2005年01期

2 孔明;岳建岭;李戈扬;;纳米多层膜中的非晶晶化与超硬效应[J];无机材料学报;2006年06期

3 胡晓萍,董云杉,孔明,李戈扬,顾明元;TiN/Si_3N_4纳米多层膜的生长结构与超硬效应[J];真空科学与技术学报;2005年04期

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本文编号：333613