基于碳及硼氮新型材料的结构设计及性能研究

发布时间：2017-08-29 12:29

  本文关键词：基于碳及硼氮新型材料的结构设计及性能研究

  更多相关文章： 金属碳 弹性常数 声子 分子动力学模拟 XRD 拉曼谱 氮化硼

【摘要】：碳是元素周期表中的第六号元素,因为碳原子之间能形成sp、sp2、sp3杂化键,所以它可以形成许许多多的同素异形体。各种各样的碳材料在科学研究和人们的生活生产中发挥着重大的作用。而在形形色色的碳材料中金属碳具有更多独特而又吸引人的性质。但是,到目前为止,人们在发现和合成稳定的三维金属碳材料方面还没有取得太大的进展。这里,我们通过第一性原理计算,发现了一种稳定的新型三维金属碳结构,其结构中碳碳键的杂化类型为sp2和sp3杂化。因为这种稳定的三维金属碳结构由包含18个碳原子的六方原胞构成,所以我们将其命名为H18 carbon。我们通过第一性原理计算验证了这种新型金属碳的稳定性,建立了它与实验的联系,也探究了其金属性的来源。随后我们又计算研究了Rh6-BN和H18-BN的结构和电子等方面的性质,它们是Rh6 carbon和H18 carbon的等电子体结构。本文的内容主要包含两大部分,其主要内容和结果如下:本文的第一个部分计算研究了一种三维金属碳H18 carbon的结构特点和性质。计算和分析了H18 carbon的总能量随体积的变化、声子谱和弹性常数,也对其在不同的温度下进行了分子动力学模拟,所有的结果都表明H18 carbon的结构是稳定的。通过模拟的H18 carbon和其他一些碳的同素异形体的XRD图与最近的一个爆炸实验中产生的碳灰的XRD图的比较,发现H18 carbon可能是碳灰中未被确定的碳结构之一。我们也模拟和比较了H18 carbon和其他一些碳的同素异形体的拉曼谱,提供了更多关于H18 carbon的结构方面的信息。我们使用PBE和杂化泛函(HSE06)两种不同的方法计算得到的H18 carbon的能带图都表明H18 carbon具有金属性质。为了探究H18 carbon的金属性的来源,我们计算了H18carbon的分波态密度和费米能级上下0.5eV能量范围的电荷密度分布。结果发现H18 carbon的金属性主要来自sp2杂化的碳原子的py轨道。与以前人们所提出的三维金属碳的同素异形体不同,H18 carbon不但能在常压下保持其金属性还能在高温下保持它结构的稳定性。这种新奇的三维金属碳材料将来有望应用于电子和机械器件之中。本文的第二个部分研究了与Rh6 carbon和H18 carbon相对应的等电子体氮化硼化合物:Rh6-BN和H18-BN。通过分析Rh6-BN和H18-BN的总能量与体积的关系、声子谱和弹性常数,我们确定了它们的稳定性。我们模拟的Rh6-BN和H18-BN的X射线衍射谱也给出了Rh6-BN和H18-BN的一些结构特点,这有助于我们在将来可能的实验上对它们进行确认。我们所计算的Rh6-BN和H18-BN的能带结构表明Rh6-BN是有一个大小为4.48eV的间接带隙的绝缘体,而H18-BN是有着一个大小为2.31eV的间接带隙的半导体。我们的这些研究结果增强了人们对氮化硼化合物的认识和理解,也会激发更多的此方面的研究。
【关键词】：金属碳 弹性常数 声子 分子动力学模拟 XRD 拉曼谱 氮化硼
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;O613.81
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 引言10-29
• 1.1 碳的多样性10-13
• 1.1.1 碳的一些基本性质10-11
• 1.1.2 碳的一些常见的同素异形体11-13
• 1.2 新型碳结构的研究进展13-20
• 1.2.1 三种最著名的碳的同素异形体13-15
• 1.2.2 一项很有影响的研究15-18
• 1.2.3 其他一些碳的同素异形体18-20
• 1.3 金属碳20-23
• 1.3.1 金属碳的一些独特性质20-21
• 1.3.2 金属碳的研究状况21-23
• 1.4 氮化硼与碳23-28
• 1.4.1 氮化硼23-25
• 1.4.2 氮化硼结构与碳结构25-28
• 1.5 本文的主要内容28-29
• 2 研究的基本理论和方法29-45
• 2.1 绝热近似30-31
• 2.2 Hartree-Fock近似31
• 2.3 密度泛函理论31-43
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理31-33
• 2.3.2 Kohn-Sham方程33-34
• 2.3.3 简化的交换关联泛函34-35
• 2.3.4 均匀电子气系统的交换关联泛函35-37
• 2.3.5 Kohn-Sham方程的求解37-39
• 2.3.6 自洽计算39-41
• 2.3.7 赝势方法41-43
• 2.4 计算软件43-45
• 3 稳定的三维金属碳结构H_(18)碳的第一性原理计算研究45-55
• 3.1 背景45
• 3.2 计算方法45-46
• 3.3 结果与讨论46-54
• 3.3.1 H_(18)carbon的结构特点46-48
• 3.3.2 H_(18)carbon的结构稳定性48-51
• 3.3.3 XRD51-52
• 3.3.4 拉曼谱52-53
• 3.3.5 H18carbon的电子性质53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 4 两种新的氮化硼化合物的第一性原理计算研究55-63
• 4.1 背景55
• 4.2 计算方法55-56
• 4.3 结果与讨论56-62
• 4.3.1 Rh6-BN和H18-BN的结构56-58
• 4.3.2 能量58
• 4.3.3 弹性常数58-60
• 4.3.4 声子谱60
• 4.3.5 XRD60-61
• 4.3.6 Rh6-BN和H_(18)-BN的电子性质61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 5 本文总结63-65
• 参考文献65-70
• 在学期间发表的学术论文70-71
• 简历71-72
• 致谢72

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本文编号：753293