稀土六硼化物电热输运性质的研究
发布时间：2021-06-07 18:09
单晶稀土六硼化物（RB6,R=La,Sm,Yb,Ce,Eu,Y）由于体现出较多的复杂物理性质,比如超导性、半导体性、混合价态和热电子发射性能,得到了越来越多的关注和研究。其中六硼化镧（LaB6）是一种同时拥有功函数低（2.6-2.8eV）、熔点高（2715℃）、挥发性差和较高的耐化学性等优点的热电子阴极发射材料。近年来,理论计算和实验两方面除了研究LaB6最基本的几何和电子性质外,更多的集中研究来寻找其最优发射晶面和尝试掺杂不同元素提高其发射性能,然而对于LaB6的声子、晶格振动、热输运性质和热导机制的研究较少。除此之外,静水压对LaB6的热学性质、弹性性质和力学性质的影响鲜见报端。本文利用密度泛函理论,对LaB6的电子结构、声子及其输运性质、静水压下的电热输运性质、弹性性质和力学性质进行了系统研究,主要研究内容有:LaB6的电热输运性质及其物理机制、高压下LaB6的电热输运特性和静水压对LaB6弹性性质和力学性质的影响。主要结论如下:首先通过分析计算得到的LaB6的电子结构可知,LaB6体现金属性行为,主要是La d电子的贡献;声子谱中从r点出发的三条声学支沿布里渊区积分路径的变化曲...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．】稀土六硼化物的晶胞结构
?山东大学硕士学位论文???ｒ?尤??图３．１?１＾８６的晶胞结构：顶角处为Ｌａ原子，体内为＆八面体。??采用投影缀加平面波赝势（ＰＡＷ），利用广义梯度近似ＧＧＡ下的ＰＢＥ函数，??电子和离子间的相互作用是用恒守赝势来描述［６８］。通过收敛性测试，采用的截??断能是４８９ｅＶ，布里渊区ｋ点的选取是采用Ｍｏｎｋｈｏｒｓｔ－Ｐａｃｋｓｃｈｅｍｅ方法自动生成??的６ｘ６ｘ６，为了充分优化几何结构和弛豫原子位置，能量收敛标准和最大力的收??敛标准分别为ｌｘｌ〇－５?ｅＶ每原子和０．０３ｅＶ／Ａ。对于ＬａＢ６声子谱和声子态密度的??计算和分析，采用了密度泛函微扰理论（ＤＦＰＴ）下的有限位移法［６８］，此方法适??合金属性材料的计算，得到的计算结果较为精准。在块体ＬａＢｄｔ算得到的声子??谱的基础上，进一步分析得到德拜温度随绝对温度的变化曲线，并利用公式（１）??进一步得到平均自由程ａ）随绝对温度的变化：??Ａ?＝?１０?８?ｅｘｐ（－＾－），?（１）??ｎＴ??在此公式中，和／／分别代表德拜温度和数值为１．６２的常数［６８］。除此之外，依??据德拜温度的结果可根据公式（２）得到声子的声速随绝对温度的变化情况：??ｖ二?Ｗ?（２）??Ｖ??心是玻尔兹曼常数，数值是１．３８ｘｌ〇＿２３Ｊ／Ｋ；／ｉ是约化普朗克常数，大小为６．６２６ｘ１０－??３４Ｊ．ｓ；而ｔＶ和Ｆ分别是晶胞内的原子数和晶胞的体积。因此，根据公式（３）可??以计算出ＬａＢ６的晶格热导率随温度的变化：??＂４＾?（３）??其中，＆是比热，计算出声子谱后通过分析得到；Ｐ是理论密度，根据晶胞内原??子数和晶格参数计算的结果是４７１７?ｋｇ／ｍ３，与实验
?山东大学硕士学位论文???计算得到ＬａＢ６的能带结构，如图３．２?（ａ）所示，计算过程中将费米能级设??为ＯｅＶ，其它能带的能量均是与费米能级的差值［７１］。通过能带图可以发现，导??带和价带之间无带隙，同时费米能级穿过了导带，表明ＬａＢ６体现金属性行为；??实验上发现ＬａＢ６的电阻率随温度的升高而升高［５８，６６］，如图３．２?（ｃ）所示，这??是典型的金属电子输运特性，我们的计算很好地解释了实验，另一方面也说明我??们的计算是合理可靠的。为了进一步研究导电电子的起源，我们计算了?＾３和８??原子的分波态密度，图３．２?（ｂ）比较了?ＬａＢ６的Ｂｌ户电子和Ｌａｘ、ｐ、ｄ和／电??子以及总的态密度分布情况，不难发现，在费米能级附近主要是Ｌａ?ｄ电子的贡??献，还有少量Ｂｐ电子；在－１７．５?ｅＶ至－５?ｅＶ的能量范围内，Ｂｓ和ｐ电子杂化的??贡献较大，而在２?ｅＶ－７?ｅＶ的能量范围内，则是Ｂｐ和Ｌａｄ的杂化贡献较大。由??此可见，Ｌａｄ电子提供ＬａＢ６金属导电的载流子。??⑷瓜???（ｂ）?????；???．?Ａ?ＭＡＬＡＷＩ??１＾—＾??．１０ｒ＾３?；??Ｘ?Ｒ?Ｍ?ｒ?Ｒ?ｉ?—?ｌａ－ｄ??（Ｃ）?＝?九??１，?＾?？?－?＾??Ｑ?＾?＂?Ｌｓ－ｆ??ｈｍｙｗ??，?－２０?－１５?－１０?－５?０?５?１０??Ｈｆ?ＢＯＯ?ＫＸ３０?ｍｏ?１＾００?ｉ６００?／?ｙｒｖ??图３．２?ＬａＢ６的电子结构：（ａ）能带结构；（ｂ）分波态密度；（ｃ）实验电阻率随温度的变化??［６６］。??３．３．２声子输运特性??有限位移法对于计算金属性材料的
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能[J]. 张飞鹏,施加利,张静文,包黎红,秦国强,张光磊,杨新宇,张久兴. 高压物理学报. 2019(02)
[2]高压下LaB6的弹性和热力学性质的第一性原理计算（英文）[J]. 何熹,傅敏,于白茹. 四川大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]Gd掺杂CeB6基阴极材料的制备及性能[J]. 梁超龙,张忻,刘洪亮,张繁星,王杨,郑亮,张久兴. 稀有金属材料与工程. 2016(12)
[4]LaB6电子结构及光学性质的第一性原理计算[J]. 苏玉长,肖立华,伏云昌,张鹏飞,彭平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[5]单晶和多晶LaB6阴极发射性能的实验研究[J]. 姚剑峰,陈旭,江剑平,李季,高玉娟,阎肃秋,陈其略. 真空电子技术. 2002(01)
本文编号：3217049
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．】稀土六硼化物的晶胞结构
?山东大学硕士学位论文???ｒ?尤??图３．１?１＾８６的晶胞结构：顶角处为Ｌａ原子，体内为＆八面体。??采用投影缀加平面波赝势（ＰＡＷ），利用广义梯度近似ＧＧＡ下的ＰＢＥ函数，??电子和离子间的相互作用是用恒守赝势来描述［６８］。通过收敛性测试，采用的截??断能是４８９ｅＶ，布里渊区ｋ点的选取是采用Ｍｏｎｋｈｏｒｓｔ－Ｐａｃｋｓｃｈｅｍｅ方法自动生成??的６ｘ６ｘ６，为了充分优化几何结构和弛豫原子位置，能量收敛标准和最大力的收??敛标准分别为ｌｘｌ〇－５?ｅＶ每原子和０．０３ｅＶ／Ａ。对于ＬａＢ６声子谱和声子态密度的??计算和分析，采用了密度泛函微扰理论（ＤＦＰＴ）下的有限位移法［６８］，此方法适??合金属性材料的计算，得到的计算结果较为精准。在块体ＬａＢｄｔ算得到的声子??谱的基础上，进一步分析得到德拜温度随绝对温度的变化曲线，并利用公式（１）??进一步得到平均自由程ａ）随绝对温度的变化：??Ａ?＝?１０?８?ｅｘｐ（－＾－），?（１）??ｎＴ??在此公式中，和／／分别代表德拜温度和数值为１．６２的常数［６８］。除此之外，依??据德拜温度的结果可根据公式（２）得到声子的声速随绝对温度的变化情况：??ｖ二?Ｗ?（２）??Ｖ??心是玻尔兹曼常数，数值是１．３８ｘｌ〇＿２３Ｊ／Ｋ；／ｉ是约化普朗克常数，大小为６．６２６ｘ１０－??３４Ｊ．ｓ；而ｔＶ和Ｆ分别是晶胞内的原子数和晶胞的体积。因此，根据公式（３）可??以计算出ＬａＢ６的晶格热导率随温度的变化：??＂４＾?（３）??其中，＆是比热，计算出声子谱后通过分析得到；Ｐ是理论密度，根据晶胞内原??子数和晶格参数计算的结果是４７１７?ｋｇ／ｍ３，与实验
?山东大学硕士学位论文???计算得到ＬａＢ６的能带结构，如图３．２?（ａ）所示，计算过程中将费米能级设??为ＯｅＶ，其它能带的能量均是与费米能级的差值［７１］。通过能带图可以发现，导??带和价带之间无带隙，同时费米能级穿过了导带，表明ＬａＢ６体现金属性行为；??实验上发现ＬａＢ６的电阻率随温度的升高而升高［５８，６６］，如图３．２?（ｃ）所示，这??是典型的金属电子输运特性，我们的计算很好地解释了实验，另一方面也说明我??们的计算是合理可靠的。为了进一步研究导电电子的起源，我们计算了?＾３和８??原子的分波态密度，图３．２?（ｂ）比较了?ＬａＢ６的Ｂｌ户电子和Ｌａｘ、ｐ、ｄ和／电??子以及总的态密度分布情况，不难发现，在费米能级附近主要是Ｌａ?ｄ电子的贡??献，还有少量Ｂｐ电子；在－１７．５?ｅＶ至－５?ｅＶ的能量范围内，Ｂｓ和ｐ电子杂化的??贡献较大，而在２?ｅＶ－７?ｅＶ的能量范围内，则是Ｂｐ和Ｌａｄ的杂化贡献较大。由??此可见，Ｌａｄ电子提供ＬａＢ６金属导电的载流子。??⑷瓜???（ｂ）?????；???．?Ａ?ＭＡＬＡＷＩ??１＾—＾??．１０ｒ＾３?；??Ｘ?Ｒ?Ｍ?ｒ?Ｒ?ｉ?—?ｌａ－ｄ??（Ｃ）?＝?九??１，?＾?？?－?＾??Ｑ?＾?＂?Ｌｓ－ｆ??ｈｍｙｗ??，?－２０?－１５?－１０?－５?０?５?１０??Ｈｆ?ＢＯＯ?ＫＸ３０?ｍｏ?１＾００?ｉ６００?／?ｙｒｖ??图３．２?ＬａＢ６的电子结构：（ａ）能带结构；（ｂ）分波态密度；（ｃ）实验电阻率随温度的变化??［６６］。??３．３．２声子输运特性??有限位移法对于计算金属性材料的
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能[J]. 张飞鹏,施加利,张静文,包黎红,秦国强,张光磊,杨新宇,张久兴. 高压物理学报. 2019(02)
[2]高压下LaB6的弹性和热力学性质的第一性原理计算（英文）[J]. 何熹,傅敏,于白茹. 四川大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]Gd掺杂CeB6基阴极材料的制备及性能[J]. 梁超龙,张忻,刘洪亮,张繁星,王杨,郑亮,张久兴. 稀有金属材料与工程. 2016(12)
[4]LaB6电子结构及光学性质的第一性原理计算[J]. 苏玉长,肖立华,伏云昌,张鹏飞,彭平. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(01)
[5]单晶和多晶LaB6阴极发射性能的实验研究[J]. 姚剑峰,陈旭,江剑平,李季,高玉娟,阎肃秋,陈其略. 真空电子技术. 2002(01)
本文编号：3217049
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