本文關(guān)鍵詞：基于碳及硼氮新型材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究

  更多相關(guān)文章： 金屬碳 彈性常數(shù) 聲子 分子動(dòng)力學(xué)模擬 XRD 拉曼譜 氮化硼

【摘要】：碳是元素周期表中的第六號(hào)元素,因?yàn)樘荚又g能形成sp、sp2、sp3雜化鍵,所以它可以形成許許多多的同素異形體。各種各樣的碳材料在科學(xué)研究和人們的生活生產(chǎn)中發(fā)揮著重大的作用。而在形形色色的碳材料中金屬碳具有更多獨(dú)特而又吸引人的性質(zhì)。但是,到目前為止,人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)和合成穩(wěn)定的三維金屬碳材料方面還沒(méi)有取得太大的進(jìn)展。這里,我們通過(guò)第一性原理計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的新型三維金屬碳結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)中碳碳鍵的雜化類型為sp2和sp3雜化。因?yàn)檫@種穩(wěn)定的三維金屬碳結(jié)構(gòu)由包含18個(gè)碳原子的六方原胞構(gòu)成,所以我們將其命名為H18 carbon。我們通過(guò)第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了這種新型金屬碳的穩(wěn)定性,建立了它與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系,也探究了其金屬性的來(lái)源。隨后我們又計(jì)算研究了Rh6-BN和H18-BN的結(jié)構(gòu)和電子等方面的性質(zhì),它們是Rh6 carbon和H18 carbon的等電子體結(jié)構(gòu)。本文的內(nèi)容主要包含兩大部分,其主要內(nèi)容和結(jié)果如下:本文的第一個(gè)部分計(jì)算研究了一種三維金屬碳H18 carbon的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)。計(jì)算和分析了H18 carbon的總能量隨體積的變化、聲子譜和彈性常數(shù),也對(duì)其在不同的溫度下進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬,所有的結(jié)果都表明H18 carbon的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。通過(guò)模擬的H18 carbon和其他一些碳的同素異形體的XRD圖與最近的一個(gè)爆炸實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的碳灰的XRD圖的比較,發(fā)現(xiàn)H18 carbon可能是碳灰中未被確定的碳結(jié)構(gòu)之一。我們也模擬和比較了H18 carbon和其他一些碳的同素異形體的拉曼譜,提供了更多關(guān)于H18 carbon的結(jié)構(gòu)方面的信息。我們使用PBE和雜化泛函(HSE06)兩種不同的方法計(jì)算得到的H18 carbon的能帶圖都表明H18 carbon具有金屬性質(zhì)。為了探究H18 carbon的金屬性的來(lái)源,我們計(jì)算了H18carbon的分波態(tài)密度和費(fèi)米能級(jí)上下0.5eV能量范圍的電荷密度分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)H18 carbon的金屬性主要來(lái)自sp2雜化的碳原子的py軌道。與以前人們所提出的三維金屬碳的同素異形體不同,H18 carbon不但能在常壓下保持其金屬性還能在高溫下保持它結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種新奇的三維金屬碳材料將來(lái)有望應(yīng)用于電子和機(jī)械器件之中。本文的第二個(gè)部分研究了與Rh6 carbon和H18 carbon相對(duì)應(yīng)的等電子體氮化硼化合物:Rh6-BN和H18-BN。通過(guò)分析Rh6-BN和H18-BN的總能量與體積的關(guān)系、聲子譜和彈性常數(shù),我們確定了它們的穩(wěn)定性。我們模擬的Rh6-BN和H18-BN的X射線衍射譜也給出了Rh6-BN和H18-BN的一些結(jié)構(gòu)特點(diǎn),這有助于我們?cè)趯?lái)可能的實(shí)驗(yàn)上對(duì)它們進(jìn)行確認(rèn)。我們所計(jì)算的Rh6-BN和H18-BN的能帶結(jié)構(gòu)表明Rh6-BN是有一個(gè)大小為4.48eV的間接帶隙的絕緣體,而H18-BN是有著一個(gè)大小為2.31eV的間接帶隙的半導(dǎo)體。我們的這些研究結(jié)果增強(qiáng)了人們對(duì)氮化硼化合物的認(rèn)識(shí)和理解,也會(huì)激發(fā)更多的此方面的研究。
【關(guān)鍵詞】：金屬碳 彈性常數(shù) 聲子 分子動(dòng)力學(xué)模擬 XRD 拉曼譜 氮化硼
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O613.71;O613.81
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 引言10-29
• 1.1 碳的多樣性10-13
• 1.1.1 碳的一些基本性質(zhì)10-11
• 1.1.2 碳的一些常見(jiàn)的同素異形體11-13
• 1.2 新型碳結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展13-20
• 1.2.1 三種最著名的碳的同素異形體13-15
• 1.2.2 一項(xiàng)很有影響的研究15-18
• 1.2.3 其他一些碳的同素異形體18-20
• 1.3 金屬碳20-23
• 1.3.1 金屬碳的一些獨(dú)特性質(zhì)20-21
• 1.3.2 金屬碳的研究狀況21-23
• 1.4 氮化硼與碳23-28
• 1.4.1 氮化硼23-25
• 1.4.2 氮化硼結(jié)構(gòu)與碳結(jié)構(gòu)25-28
• 1.5 本文的主要內(nèi)容28-29
• 2 研究的基本理論和方法29-45
• 2.1 絕熱近似30-31
• 2.2 Hartree-Fock近似31
• 2.3 密度泛函理論31-43
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理31-33
• 2.3.2 Kohn-Sham方程33-34
• 2.3.3 簡(jiǎn)化的交換關(guān)聯(lián)泛函34-35
• 2.3.4 均勻電子氣系統(tǒng)的交換關(guān)聯(lián)泛函35-37
• 2.3.5 Kohn-Sham方程的求解37-39
• 2.3.6 自洽計(jì)算39-41
• 2.3.7 贗勢(shì)方法41-43
• 2.4 計(jì)算軟件43-45
• 3 穩(wěn)定的三維金屬碳結(jié)構(gòu)H_(18)碳的第一性原理計(jì)算研究45-55
• 3.1 背景45
• 3.2 計(jì)算方法45-46
• 3.3 結(jié)果與討論46-54
• 3.3.1 H_(18)carbon的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)46-48
• 3.3.2 H_(18)carbon的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性48-51
• 3.3.3 XRD51-52
• 3.3.4 拉曼譜52-53
• 3.3.5 H18carbon的電子性質(zhì)53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 4 兩種新的氮化硼化合物的第一性原理計(jì)算研究55-63
• 4.1 背景55
• 4.2 計(jì)算方法55-56
• 4.3 結(jié)果與討論56-62
• 4.3.1 Rh6-BN和H18-BN的結(jié)構(gòu)56-58
• 4.3.2 能量58
• 4.3.3 彈性常數(shù)58-60
• 4.3.4 聲子譜60
• 4.3.5 XRD60-61
• 4.3.6 Rh6-BN和H_(18)-BN的電子性質(zhì)61-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 5 本文總結(jié)63-65
• 參考文獻(xiàn)65-70
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文70-71
• 簡(jiǎn)歷71-72
• 致謝72

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本文編號(hào)：753293