Si-C-N三元系中新型亚稳相的第一性原理研究
[Abstract]:Binary compounds and ternary compounds composed of Si,C and N have excellent mechanical, chemical and thermal properties and are widely used in industrial production. The experimental and theoretical studies on this kind of materials have never stopped, but the Si-C-N compounds with definite stoichiometric ratio and structure are still very few. In this paper, the structure of Si CN and Si3N4 is predicted by CALYPSO structure prediction program, and the structure of Si CN and Si3N4 is established by CASTEP first-principle calculation module. The stability of the predicted and created structure is determined, and the energy band structure and density of states of metastable phase are studied. Elastic modulus and theoretical Vickers hardness. In this paper, the CASTEP calculation module is used to calculate the structure in which N atoms replace C atoms, Si atoms and the gap positions of the first or second type in the 3C-SiC structure. The effects of different positions of N atoms on the structural stability of 3C-SiC and the effects of N atom content on the electronic properties, elastic modulus and Vickers hardness of SixCyNz were studied. The results show that the structure is stable only when the N atom replaces the C atom and the ratio of the C atom to the C atom is 1 / 4 and 1 / 8, because the N atom has one more outer electron than the C atom. Therefore, the structure of C atom replaced by N atom has the property of electron conduction, and the hardness decreases gradually with the increase of N atom ratio. The crystal structure of Si:C:N=1:1:1 SiCN is predicted by combining CALYPSO program with CASTEP module, and compared with the c-SiCN structure proposed by Kawamura. It is found that compared with the c-SiCN structure, the three structures predicted in this paper, whether at atmospheric pressure phase t-SiCN-high-pressure phase or high-pressure phase o-SiCN and h-SiCN-have more advantages in energy. T-SiCN is a kind of superhard material with narrow band gap. O-SiCN and h-SiCN are hard materials with hole conductivity. The crystal structure of Si3N4 was predicted by combining CALYPSO program with CASTEP module. Two kinds of structure t-Si3N4 and m-Si3N4 with energy between stable 尾 phase and high pressure 纬 phase were found. And a more high-pressure phase o-Si _ 3N _ 4 with a phase transition pressure of 198 GPa relative to 纬 phase. The three kinds of structures are semiconductor with wide band gap. The hardness is equivalent to that of 伪, 尾 and 纬 phase, and increases with the increase of pressure. With the increase of pressure, the Si3N4, with three structures of brittle materials under normal pressure has been transformed into ductile materials. With the transition from atmospheric phase to high pressure phase, the number of coordination bonds per atom increases and the bond length increases gradually for their relaxation structure at zero pressure. The CASTEP calculation module is used to construct the silicon nitride structure of 尾-Si3N4 phase through a series of symmetrical operations, and the formation enthalpy, stability and various properties of these layers are calculated by using the Si-N layer similar to the normal pressure phase as the basic layer. Because the order of ABCD (CD stacking in 伪 phase is the specular reflection layer of AB layer) and the traditional stacking order is in conflict, this paper redefines the stacking order of atomic layer in 尾-Si3N4 structure. It is found that when only one of the adjacent Si-N layers is a mirror reflection structure and the central N atom of the adjacent two Si-N layers is not located in the same c-axis direction, the energy of the N atom is lower. But these two conditions are only necessary and insufficient conditions for lower energy. Among the many 尾-Si3N4 like structures, a potential 未 phase structure is found, which is the structure of the two adjacent Si-N layers of the 伪 phase, which is seen from the upper and lower directions.
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ174.1
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,本文编号:2300897
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