新型碳和碳化物材料物性研究

发布时间：2020-03-20 04:32

【摘要】：碳元素及其化合物,已广泛应用于现代工业的各个领域之中。本文将采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术结合第一性原理计算方法,寻找新型碳的同素异形体和碳化物结构,并研究新结构的物理性质。研究和分析了不同体系在不同压力区间稳定结构的力学性质、热力学性质、电子结构和光学性质等,为实验上有效合成以及其他新材料研究提供了理论支撑。我们提出了三种新型碳同素异形体材料:超硬四方C_(64)结构、超硬金属性C_5结构和轻质金属性mC_(12)结构。其中四方C_(64)的维氏硬度可达到60.2 GPa,该结构属于半导体材料,并且具有1.32 eV的准直接带隙。超硬金属性四方碳材料C_5的结构由sp~2和sp~3碳组成,维氏硬度为58.5 GPa,该结构则显示出了金属性质。sp-sp~2杂化的单斜碳同素异形体mC_(12)具有大的体积和小的平衡密度,属于轻质金属性材料,具有很强的力学性质。关于碳化物材料,本文对Ca_2C的压致相变机制的研究表明,从金属相C2/m-Ca_2C转变为半导体相Pnma-Ca_2C发生在7.8 GPa处,其属于一级相变,体积降为26.7%。C2/m-Ca_2C_3仅在0至24 GPa之间具有力学和动力学稳定性,属于准直接带隙半导体。新型四方晶系P4_2/mnm-SiC具有两种稳定结构:Si_8C_4和Si_4C_8,都属于间接带隙半导体材料,且带隙分别为0.74 eV和0.15 eV。XC_6和XC_(12)系列结构(X为元素周期表中除了He,Ne和Ar之外的从H到Ca的所有原子)中具有力学和动力学稳定性的结构为HC_6、NC_6、SC_6、BC_(12)、CC_(12)、PC_(12)、SC_(12)、ClC_(12)和KC_(12)。并且,稳定结构的弹性、声速、德拜温度和电子特性也都作了细致研究。此外,本文还对其他的新型半导体材料做了研究。新型立方超硬材料c-C_3N的维氏硬度为65 GPa,属于间接带隙半导体。并且,还对其力学各向异性和热力学性质做了研究。MoS材料的新结构中发现了Imm2→Pnma→Pm-3m相变序列,其相变压力点分别为5.5 GPa和45.3 GPa,且都属于一级相变,体积降则分别为16.5%和6.2%。Imm2和Pnma相是间接带隙半导体,而Pm-3m相则显示出了金属性质。最后本文系统研究了直接带隙硅晶体D135-Si的光学性质。计算的介电函数虚部表明压力对该结构的光吸收特性影响最小,应变效应则分别沿c、b和a三个方向逐渐增强。基于第一性原理研究的这些新型结构均具有相当不错的综合性能,如果可以在实验上成功制备将具有很广阔的应用前景。相信随着计算技术的不断提升和理论的不断完善,模拟和预测新材料也将取得更好的成果,吸引越来越多的科研工作者参与其中。
【图文】：

晶格结构

方金刚石（lonsdaleite）则是超硬绝缘体，其结构如图 1.1 所示。此外许多其他稳定态或亚稳态的碳和碳化物材料已经在实验和理论计算中得到了广泛的研究。图1.1 晶格结构图。石墨(a)；富勒烯(b)；金刚石(c)；六方金刚石(d)众所周知，在与切割、磨削和钻孔等相关的工业领域中所使用的超硬材料中，金刚石占有非常重要的地位。但由于技术限制，其应用仅仅限于中等温度下的非金属材料和非铁合金方面。再加上近年来，超硬材料的用途越来越广泛，因此对于材料超硬特性方面的研究也越来越受到科研人员的关注，也促使了许多新技术和新型超硬材料的出现[1-17]，比如碳的同素异形体立方相 bct-C4[18]，单斜相 M-[19]、F-[20]、C2/m-[21]和 X-碳[22]，以及正交相 W-[23]、Z-[24]、oC32-[25]、Imma-碳[26]等大量的超硬碳材料。这些结构有的已经在实验上成功合成

晶格结构,碳材料

其结构和焓性质与已有的 M-碳结构非常相似，并且该结构在 14.4 GPa以上的压力下比石墨更加稳定，其硬度和体积模量则分别达到了 94 GPa 和 424 GPa。图1.2 晶格结构图。HR-碳(a)；bct-C4(b)；M-碳(c)；C2/m-碳(d)；W-碳(e)；Imma-碳(f)相比于工业需求来说，目前已有的材料并不能完全满足其需要，，因此理论上探索新型超硬碳材料来为实验提供更好的支撑仍然十分的必要。此外，由于共价键形成的网格结构保证了碳材料的高硬度特性，但其非导电性质却限制了超硬碳材料在电子产业中的应用。而传统的金属性碳材料，如 K4-[27, 28]、K6-[29]和 T6-碳[30]等，却并不属
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.1

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