TMN x （TM=Ti,Zr;x=0.5,1,2）的相变、力学性质和电子结构的第一性原理研究
发布时间：2021-04-18 06:32
金属氮化物因其非常特殊的物理和化学性能（高熔点、高硬度、耐腐蚀、超导性、光致发光性等）,被广泛应用于化工、机械、航天工业领域,且在催化以及能源领域具有潜在的应用价值。第IVB族的钛氮化合物和锆氮化合物中的许多都可做特殊的陶瓷材料,且同时具有过渡金属和共价化合物的特性,所以一直备受人们关注。利用第一性原理方法,本文研究了六种不同晶相的TiN和ZrN的稳定性、相变、力学和电学性质。结果表明,在T=0 K,P=0 GPa时两类氮化物中均是B1相最稳定。通过计算相对焓值随压强的变化关系得到了如下结果:在TiN结构中,B1到B2相、B1到P63/mmc相、B2到WC相、B3到WZ相的相变压强分别为340 GPa、274 GPa、164 GPa和122 GPa;在ZrN结构中,B1到B2相、B1到NiAs相、B2到WC相、B3到WZ相的相变压强分别为209 GPa、138 GPa、92 GPa和185 GPa。力学和电学性质的分析表明所有结构都满足力学稳定性条件并具有金属性。此外,我们还系统研究了钛和锆三种不同组分氮化物的力学及电学性质。通过计算二阶弹性常数发现,在同一物质中...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Wriedt[37]等人的Ti-N相图
内蒙古大学硕士学位论文41.1.2TMN(TM=Ti,Zr)相变、力学性质和电子结构的研究进展近几十年来，TMN化合物优异的性质引起了人们的广泛关注。而TiN是其中最重要的一种，它的硬度和剪切强度比较大，这是由于Ti原子和N原子之间有很强的共价键并且极性较弱[45]。TiN首先被Story-Maskelyne从陨石中分离出来，并结晶成著名的岩盐结构[46]。从此，人们便开始从理论和实验方面入手研究它的性质。经过调研发现，大多数的研究都集中在TiN的B1结构上，但是目前关于TiN的六种结构都已经被报道，分别为B1、B2、B3、WC、WZ和P63/mmc，遗憾的是，只有B1相有实验证据证明其存在[47]。B1、B2、B3和WZ结构的力学和电学性质已经被报道[48-50]。其中B2结构的各向异性最明显[51]。B1属于脆性材料[51]；B2、B3和WZ结构具有延展性[20,50]。所有结构均具有金属性[48,52]。在2017年Sun[51]等人用CALYPSO方法搜索和预测了P63/mmc结构，计算了其在0GPa时的声子谱，发现并没有虚频，同时计算了关于B1、B2和P63/mmc结构的相变压强，B1相在270GPa时变为P63/mmc结构，接着P63/mmc在348GPa时转变为B2结构。并且还做出了体积随压强变化的曲线，如图1.3(a)，表明B1变化到P63/mmc结构为二级相变，P63/mmc到B2结构为一级相变。通过对其力学和热学性质的分析表明，P63/mmc结构属于脆性材料并且具有较大的德拜温度。Zhu[20]和Gu[53]等人均提出了WC结构，但是关于它的晶格常数仍然存在争议。关于TiN的相变，研究基本集中在B1相和B2相之间的相变，并且相变压存在很大争议。图1.2Gribaudo[39]等人的Zr-N相图Fig.1.2Zr-NphasediagramofGribaudo[39]
内蒙古大学硕士学位论文6图1.3(a)B1、P63/mmc和B2相体积随压强的变化关系[51](b)6种TiN结构的焓随压强的变化关系[53](c)在T=0K时TiN的B2、B3和WC相相对于B1相的焓和压强的变化关系[20](d)在T=0K时ZrN的B2、B3、NiAs和WC相相对于B1相的焓和压强的变化关系[60]Fig.1.3(a)Pressure-volumerelationsfortheB1,P63/mmcandB2phases[51](b)Pressure-enthalpyrelationsforsixstructuresofTiN[53](c)CalculatedTiN’senthalpyforB2,B3andWCphaseswithrespecttoB1phaseasafunctionofpressureatT=0K[20](d)CalculatedZrN’senthalpyforB2,B3,NiAsandWCphaseswithrespecttoB1asafunctionofpressureatT=0K[60]1.1.3TMNx(TM=Ti,Zr;x=0.5,2)相变、力学性质和电子结构的研究进展1962年，拥有空间群P42/mnm的Ti2N结构被提出，晶格常数为a=4.9452和c=3.0342，该结构属于反金红石型[72]。Yu[27]等人研究了其力学和电学性质，计算结果表明ε-Ti2N(P42/mnm)属于脆性材料；具有各向异性、金属性并且其维式硬度（Hv）为11.87。ε-Ti2N(P42/mnm)是Ti2N在零压下最稳定的相，而δ’相（I41/amd）只能在高温下存在[73]。在零温下，基于总能量和声子谱计算，Ivashchenko[74]等人预测了从ε-Ti2N(P42/mnm)到Au2Te型再到Al2Cu型结构的相变压强为77.5GPa和86.7GPa。2017年，Yu[44]等人用USPEX软件搜索到了Zr2N结构，与ε-Ti2N具有相同的空间群，并简要研究了其力学和电学性质。(a)(b)(c)(d)
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质的第一性原理计算（英文）[J]. 郝爱民,周铁军,朱岩,刘鑫. 高压物理学报. 2012(04)
[2]TiN多型体高压相变的第一性原理计算[J]. 顾雄,高尚鹏. 物理学报. 2011(05)
本文编号：3144996
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Wriedt[37]等人的Ti-N相图
内蒙古大学硕士学位论文41.1.2TMN(TM=Ti,Zr)相变、力学性质和电子结构的研究进展近几十年来，TMN化合物优异的性质引起了人们的广泛关注。而TiN是其中最重要的一种，它的硬度和剪切强度比较大，这是由于Ti原子和N原子之间有很强的共价键并且极性较弱[45]。TiN首先被Story-Maskelyne从陨石中分离出来，并结晶成著名的岩盐结构[46]。从此，人们便开始从理论和实验方面入手研究它的性质。经过调研发现，大多数的研究都集中在TiN的B1结构上，但是目前关于TiN的六种结构都已经被报道，分别为B1、B2、B3、WC、WZ和P63/mmc，遗憾的是，只有B1相有实验证据证明其存在[47]。B1、B2、B3和WZ结构的力学和电学性质已经被报道[48-50]。其中B2结构的各向异性最明显[51]。B1属于脆性材料[51]；B2、B3和WZ结构具有延展性[20,50]。所有结构均具有金属性[48,52]。在2017年Sun[51]等人用CALYPSO方法搜索和预测了P63/mmc结构，计算了其在0GPa时的声子谱，发现并没有虚频，同时计算了关于B1、B2和P63/mmc结构的相变压强，B1相在270GPa时变为P63/mmc结构，接着P63/mmc在348GPa时转变为B2结构。并且还做出了体积随压强变化的曲线，如图1.3(a)，表明B1变化到P63/mmc结构为二级相变，P63/mmc到B2结构为一级相变。通过对其力学和热学性质的分析表明，P63/mmc结构属于脆性材料并且具有较大的德拜温度。Zhu[20]和Gu[53]等人均提出了WC结构，但是关于它的晶格常数仍然存在争议。关于TiN的相变，研究基本集中在B1相和B2相之间的相变，并且相变压存在很大争议。图1.2Gribaudo[39]等人的Zr-N相图Fig.1.2Zr-NphasediagramofGribaudo[39]
内蒙古大学硕士学位论文6图1.3(a)B1、P63/mmc和B2相体积随压强的变化关系[51](b)6种TiN结构的焓随压强的变化关系[53](c)在T=0K时TiN的B2、B3和WC相相对于B1相的焓和压强的变化关系[20](d)在T=0K时ZrN的B2、B3、NiAs和WC相相对于B1相的焓和压强的变化关系[60]Fig.1.3(a)Pressure-volumerelationsfortheB1,P63/mmcandB2phases[51](b)Pressure-enthalpyrelationsforsixstructuresofTiN[53](c)CalculatedTiN’senthalpyforB2,B3andWCphaseswithrespecttoB1phaseasafunctionofpressureatT=0K[20](d)CalculatedZrN’senthalpyforB2,B3,NiAsandWCphaseswithrespecttoB1asafunctionofpressureatT=0K[60]1.1.3TMNx(TM=Ti,Zr;x=0.5,2)相变、力学性质和电子结构的研究进展1962年，拥有空间群P42/mnm的Ti2N结构被提出，晶格常数为a=4.9452和c=3.0342，该结构属于反金红石型[72]。Yu[27]等人研究了其力学和电学性质，计算结果表明ε-Ti2N(P42/mnm)属于脆性材料；具有各向异性、金属性并且其维式硬度（Hv）为11.87。ε-Ti2N(P42/mnm)是Ti2N在零压下最稳定的相，而δ’相（I41/amd）只能在高温下存在[73]。在零温下，基于总能量和声子谱计算，Ivashchenko[74]等人预测了从ε-Ti2N(P42/mnm)到Au2Te型再到Al2Cu型结构的相变压强为77.5GPa和86.7GPa。2017年，Yu[44]等人用USPEX软件搜索到了Zr2N结构，与ε-Ti2N具有相同的空间群，并简要研究了其力学和电学性质。(a)(b)(c)(d)
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压下TiN的结构转变、弹性和热力学性质的第一性原理计算（英文）[J]. 郝爱民,周铁军,朱岩,刘鑫. 高压物理学报. 2012(04)
[2]TiN多型体高压相变的第一性原理计算[J]. 顾雄,高尚鹏. 物理学报. 2011(05)
本文编号：3144996
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