高压下五氮化钡晶体结构与物性的理论研究

发布时间：2020-05-18 16:55

【摘要】：高压物理学是探究物质在高压下结构及其物理性质变化的科学,高压技术是设计合成新型材料的重要手段之一。本文运用CALYPSO结构搜索技术结合基于密度泛函理论中的第一性原理的平面赝势波方法,对BaN5晶体进行了结构预测,并对预测得出的晶体结构和物理性质进行了系统的研究。在压强为0-100 GPa的范围内,随着压强的升高BaN5晶体在压强34GPa处发生结构相变,由空间群为P1的α相转变为空间群Cmm2的β相。在相变过程中,氮原子的成键形式发生了明显的变化:在α相的晶体结构中两个氮原子形成哑铃状的氮对(N2),另外三个氮原子形成链状的N3;在β相的晶体结构中,氮原子形成含能五环状的N5。BaN5晶体相变过程中,结构的体积发生坍塌,塌缩比为5.61%,由于相变过程中体积不连续变化,因此该相变属于一级相变。对预测得到的BaN5晶体结构计算了声子谱,研究发现没有出现虚频,说明其结构具有动力学稳定性。对预测得出的晶体结构电子性质的分析表明:在费米面处,α相的能带导带和价带有微弱的重合,采用HSE杂化泛函修正后,其带隙为0.46eV,表现为窄带隙半导体;β相的价带和导带在费米面处有明显的交叠,呈现出金属性。在α相中N-N之间的键级为2和3,而β相中N-N之间的键级为1.284、1.491和1.369,表明β相中的氮氮键更容易解离,释放能量,成为含能材料。硬度计算表明,α相和β相中的韦氏硬度分别为0.816GPa和3.934GPa,均不适合做硬度材料。
【图文】：

曲线图,焓差,晶体结构,三角形

逑３．２邋ＢａＮ５晶体的结构逡逑在热力学温度为０Ｋ时，体系的自由能用焓值表示，如图３．２所示，对预测逡逑产生的ＢａＮ５晶体结构进行优化，得出焓差值随压力变化的曲线图。从图中可以逡逑得出体结构稳定存在的压力区间。在０－３４ＧＰａ的压强范围内，空间群为逡逑的晶体结构焓值最低，记为《相。当压强达到３４ＧＰａ时，，空间群为Ｃｍｍ２逡逑的结构焓值低于：Ｆｌ的晶体结构，记为卢相其空间群为Ｃｍｍ２，直到压强为１００逡逑ＧＰａ时，该晶体结构能够稳定存在。３．２插图给出了邋ａ相和相在压强范围内逡逑１．５邋逦邋－逡逑，逦２００逡逑Ｌ0＼逦１：＼逡逑０．５－邋Ｖ逦＞邋ｎｏ逡逑Ａ邋，逦ｌｏｏｔ邋．邋．逦■邋■逡逑Ｉ邋ｏｏ邋二．．邋：邋２0ｆ＾ｍ0０逡逑｜逦卜—…ｈ、逡逑＜逦３４Ｇｐａ逡逑０邋５邋■逡逑－１．０邋－邋—Ａｒ￣邋ａ－ｐｈａｓｅ（／

曲线图,晶体结构,压强,焓值

逑３．２邋ＢａＮ５晶体的结构逡逑在热力学温度为０Ｋ时，体系的自由能用焓值表示，如图３．２所示，对预测逡逑产生的ＢａＮ５晶体结构进行优化，得出焓差值随压力变化的曲线图。从图中可以逡逑得出体结构稳定存在的压力区间。在０－３４ＧＰａ的压强范围内，空间群为逡逑的晶体结构焓值最低，记为《相。当压强达到３４ＧＰａ时，空间群为Ｃｍｍ２逡逑的结构焓值低于：Ｆｌ的晶体结构，记为卢相其空间群为Ｃｍｍ２，直到压强为１００逡逑ＧＰａ时，该晶体结构能够稳定存在。３．２插图给出了邋ａ相和相在压强范围内逡逑１．５邋逦邋－逡逑，逦２００逡逑Ｌ0＼逦１：＼逡逑０．５－邋Ｖ逦＞邋ｎｏ逡逑Ａ邋，逦ｌｏｏｔ邋．邋．逦■邋■逡逑Ｉ邋ｏｏ邋二．．邋：邋２0ｆ＾ｍ0０逡逑｜逦卜—…ｈ、逡逑＜逦３４Ｇｐａ逡逑０邋５邋■逡逑－１．０邋－邋—Ａｒ￣邋ａ－ｐｈａｓｅ（／
【学位授予单位】：延边大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O76;O521

【参考文献】