高压下氮化钛的结构预测和物性研究

发布时间：2020-10-31 17:18

　　 高压的作用可以使物质存在的状态变得丰富多样,从而给材料带来许多新奇的物理和化学性质,这极大地拓宽了材料研究的方向和维度。在压力作用下,物质内原子之间会相互靠拢,可能导致结构相变。因此,物质的性质会随着压力的变化而发生改变。因此,研究高压下的物质的结构是很有意义的。氮化钛具有极高的硬度、极高的熔点和优异的耐腐蚀性,所以其被广泛应用于切削刀具涂层和耐磨涂层。刀具在切削过程中,瞬间会受到很大的压力,因此探索高压下TiN材料可能存在的结构以及其力学性质具有比较好的实际科学和应用意义,需要对其进行更加深入的研究。本文以氮化钛(TiN)为研究对象,利用晶体结构搜索的方法预测了其高压晶体结构,对其结构相变、弹性和热力学性质等做了研究。研究结果如下:(1)在0-400 GPa的压力范围内,TiN晶体发生了两次结构相变,相变次序为B1-P6_3/mmc-B2。其中,空间群B1到P6_3/mmc相的相变压强为270 GPa,P6_3/mmc到B2相的相变压强为347 GPa。(2)通过声子谱的分析,我们发现理论预测的TiN晶体在高压下的结构没有虚频,说明动力学上是稳定的结构。(3)通过弹性常数和热力学性质的计算,我们发现B1和P6_3/mmc几乎是各向同性的,且是脆性材料,而B2相是各向异性的,是韧性材料。B1和P6_3/mmc内部的化学键强于B2相,表现为较高的德拜温度。我们的研究为TiN和此类材料的合成和应用提供了比较有价值的理论基础。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O521
【部分图文】：

华东师范大学硕士学位论文 11图 2.1： CALYPSO 结构搜索流程图（Wang Y, Lv J, Zhu L, et al. [J] Physics, 2010, 82(9):7174-7182.）2.5 VASP 软件介绍VASP 全称 Vienna Ab-inito Simulaton Package, 它是基于第一性原理的采用平面波赝势方法的从头计算的分子动力学模拟软件包，是目前材料科学计算研究和材料模拟中非常流行的软件之一。它可以用来处理很多问题，比如，采用周期性边界条件处理分子、团簇、原子等；计算材料的晶格常数和电子结构；计算材料

高压下氮化钛结构预测和物性研究的状态方程和力学性质；计算材料的光学性质；计算材料的磁学性质；计算材料的晶格动力学性质；计算材料的基态和激发态性质；分子从头动力学模拟等等。它的计算流程图如下图 2.2 所示。

第三章 TiN 高压理论研究相变，他们认为这一个相变与 Occelli 等人[5]发现的金属锇的相变类似，也就是说在费米面之上或者以下的能带在加压的情形下，会穿过费米面，为了探究这种情况，我们分别又计算了 B1 相在 7 GPa 和 10 GPa 的情况，我们发现在这些不同的压强下，能带结构几乎没有明显的变化，即说明能带并没有出现新的能带穿过费米面，也就是在我们的计算中，并没有观察到电子结构相变。这说明我们的研究并没有发现实验上发生的这一现象，进而排除了 TiN 随压强变化发生了电子的拓扑形貌转变的可能。根据上述论述可以判断，实验所观测到的由压强导致的等结构相变不是由费米面的拓扑形貌发生改变所引起的。
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本文编号：2864254