【摘要】：由Si、C和N元素所組成的二元化合物及三元化合物具有優(yōu)秀的機(jī)械、化學(xué)和熱性能,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。關(guān)于這類材料的實(shí)驗(yàn)與理論研究從未間斷過,然而具有明確化學(xué)計(jì)量比和結(jié)構(gòu)的Si-C-N化合物仍然非常少。本論文采用CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測程序?qū)i CN和Si3N4進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的預(yù)測,采用CASTEP第一性原理計(jì)算模塊創(chuàng)建結(jié)構(gòu),并對預(yù)測和創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性判定,研究了亞穩(wěn)相的能帶結(jié)構(gòu),態(tài)密度,彈性模量以及理論維氏硬度。采用CASTEP計(jì)算模塊,通過對N原子在3C-SiC結(jié)構(gòu)中取代C原子、取代Si原子以及占據(jù)第一類或第二類間隙位置的結(jié)構(gòu)的計(jì)算,研究了N原子在3C-SiC結(jié)構(gòu)中不同占位對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,及N原子的含量對SixCyNz的電子性質(zhì)、彈性模量和維氏硬度的影響。結(jié)果顯示僅當(dāng)N原子取代C原子并且C原子被取代的比例為1/4和1/8時(shí)的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,由于與C原子相比,N原子的多一個(gè)外層電子,因此C原子被N原子取代后的結(jié)構(gòu)具有電子導(dǎo)電的特性,而隨著N原子比例的增加,硬度逐漸降低。采用CALYPSO程序和CASTEP模塊相結(jié)合的方法,預(yù)測了Si:C:N=1:1:1的SiCN的晶體結(jié)構(gòu),并與Kawamura所提出的c-SiCN結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比研究。發(fā)現(xiàn)與c-SiCN結(jié)構(gòu)相比之下,本論文所預(yù)測的三個(gè)結(jié)構(gòu),不論是常壓相t-SiCN,還是高壓相o-SiCN和h-SiCN,在能量上都更具有優(yōu)勢。t-SiCN是一種具有窄帶隙的超硬材料,o-SiCN和h-SiCN是具有空穴導(dǎo)電性的硬材料。采用CALYPSO程序和CASTEP模塊相結(jié)合的方法,預(yù)測了Si3N4的晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了兩種能量介于穩(wěn)定β相和高壓γ相之間的結(jié)構(gòu)t-Si3N4和m-Si3N4,以及一種相對于γ相的相變壓力點(diǎn)為198 GPa的更高壓的相o-Si3N4。三種結(jié)構(gòu)都是具有寬帶隙的半導(dǎo)體,硬度與α、β和γ相的硬度相當(dāng),并且隨著壓力的增加而變高。隨著壓力的增加,在常壓下都是脆性材料的三種結(jié)構(gòu)的Si3N4,先后變成韌性材料。隨著常壓相向高壓相的轉(zhuǎn)變過程中,對于它們在零壓下的弛豫結(jié)構(gòu)中,每個(gè)原子的配位鍵數(shù)的逐漸增多,并且鍵長逐漸增長。采用CASTEP計(jì)算模塊以常壓相中相類似的Si-N層為基礎(chǔ)層,通過一系列的對稱操作,構(gòu)建了多種類β-Si3N4相的氮化硅結(jié)構(gòu),并對它們的形成焓、穩(wěn)定性、各種性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。由于α相中的原子層堆垛順序ABCD(CD層為AB層的鏡面反射層)與傳統(tǒng)意義上的堆垛順序有沖突,因此本論文對類β-Si3N4結(jié)構(gòu)中的原子層的堆垛順序進(jìn)行了重新的定義。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足相鄰兩Si-N層中僅有一層為鏡面反射結(jié)構(gòu),并且相鄰兩Si-N層的中心N原子不位于同一c軸方向時(shí)的能量較低,但是這兩個(gè)條件僅是能量較低的必要非充分條件。在眾多的類β-Si3N4結(jié)構(gòu)中,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在的δ相結(jié)構(gòu),其為α相的一半的結(jié)構(gòu),即α相中從上下兩個(gè)方向看去的兩個(gè)β相的相鄰兩Si-N層所組成的結(jié)構(gòu)。
[Abstract]:Binary compounds and ternary compounds composed of Si,C and N have excellent mechanical, chemical and thermal properties and are widely used in industrial production. The experimental and theoretical studies on this kind of materials have never stopped, but the Si-C-N compounds with definite stoichiometric ratio and structure are still very few. In this paper, the structure of Si CN and Si3N4 is predicted by CALYPSO structure prediction program, and the structure of Si CN and Si3N4 is established by CASTEP first-principle calculation module. The stability of the predicted and created structure is determined, and the energy band structure and density of states of metastable phase are studied. Elastic modulus and theoretical Vickers hardness. In this paper, the CASTEP calculation module is used to calculate the structure in which N atoms replace C atoms, Si atoms and the gap positions of the first or second type in the 3C-SiC structure. The effects of different positions of N atoms on the structural stability of 3C-SiC and the effects of N atom content on the electronic properties, elastic modulus and Vickers hardness of SixCyNz were studied. The results show that the structure is stable only when the N atom replaces the C atom and the ratio of the C atom to the C atom is 1 / 4 and 1 / 8, because the N atom has one more outer electron than the C atom. Therefore, the structure of C atom replaced by N atom has the property of electron conduction, and the hardness decreases gradually with the increase of N atom ratio. The crystal structure of Si:C:N=1:1:1 SiCN is predicted by combining CALYPSO program with CASTEP module, and compared with the c-SiCN structure proposed by Kawamura. It is found that compared with the c-SiCN structure, the three structures predicted in this paper, whether at atmospheric pressure phase t-SiCN-high-pressure phase or high-pressure phase o-SiCN and h-SiCN-have more advantages in energy. T-SiCN is a kind of superhard material with narrow band gap. O-SiCN and h-SiCN are hard materials with hole conductivity. The crystal structure of Si3N4 was predicted by combining CALYPSO program with CASTEP module. Two kinds of structure t-Si3N4 and m-Si3N4 with energy between stable 尾 phase and high pressure 緯 phase were found. And a more high-pressure phase o-Si _ 3N _ 4 with a phase transition pressure of 198 GPa relative to 緯 phase. The three kinds of structures are semiconductor with wide band gap. The hardness is equivalent to that of 偽, 尾 and 緯 phase, and increases with the increase of pressure. With the increase of pressure, the Si3N4, with three structures of brittle materials under normal pressure has been transformed into ductile materials. With the transition from atmospheric phase to high pressure phase, the number of coordination bonds per atom increases and the bond length increases gradually for their relaxation structure at zero pressure. The CASTEP calculation module is used to construct the silicon nitride structure of 尾-Si3N4 phase through a series of symmetrical operations, and the formation enthalpy, stability and various properties of these layers are calculated by using the Si-N layer similar to the normal pressure phase as the basic layer. Because the order of ABCD (CD stacking in 偽 phase is the specular reflection layer of AB layer) and the traditional stacking order is in conflict, this paper redefines the stacking order of atomic layer in 尾-Si3N4 structure. It is found that when only one of the adjacent Si-N layers is a mirror reflection structure and the central N atom of the adjacent two Si-N layers is not located in the same c-axis direction, the energy of the N atom is lower. But these two conditions are only necessary and insufficient conditions for lower energy. Among the many 尾-Si3N4 like structures, a potential 未 phase structure is found, which is the structure of the two adjacent Si-N layers of the 偽 phase, which is seen from the upper and lower directions.
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ174.1

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本文編號(hào)：2300897