【摘要】：碳元素及其化合物,已廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域之中。本文將采用基于粒子群優(yōu)化算法的晶體結(jié)構(gòu)預測技術(shù)結(jié)合第一性原理計算方法,尋找新型碳的同素異形體和碳化物結(jié)構(gòu),并研究新結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)。研究和分析了不同體系在不同壓力區(qū)間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的力學性質(zhì)、熱力學性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)等,為實驗上有效合成以及其他新材料研究提供了理論支撐。我們提出了三種新型碳同素異形體材料:超硬四方C_(64)結(jié)構(gòu)、超硬金屬性C_5結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)金屬性mC_(12)結(jié)構(gòu)。其中四方C_(64)的維氏硬度可達到60.2 GPa,該結(jié)構(gòu)屬于半導體材料,并且具有1.32 eV的準直接帶隙。超硬金屬性四方碳材料C_5的結(jié)構(gòu)由sp~2和sp~3碳組成,維氏硬度為58.5 GPa,該結(jié)構(gòu)則顯示出了金屬性質(zhì)。sp-sp~2雜化的單斜碳同素異形體mC_(12)具有大的體積和小的平衡密度,屬于輕質(zhì)金屬性材料,具有很強的力學性質(zhì)。關(guān)于碳化物材料,本文對Ca_2C的壓致相變機制的研究表明,從金屬相C2/m-Ca_2C轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w相Pnma-Ca_2C發(fā)生在7.8 GPa處,其屬于一級相變,體積降為26.7%。C2/m-Ca_2C_3僅在0至24 GPa之間具有力學和動力學穩(wěn)定性,屬于準直接帶隙半導體。新型四方晶系P4_2/mnm-SiC具有兩種穩(wěn)定結(jié)構(gòu):Si_8C_4和Si_4C_8,都屬于間接帶隙半導體材料,且?guī)斗謩e為0.74 eV和0.15 eV。XC_6和XC_(12)系列結(jié)構(gòu)(X為元素周期表中除了He,Ne和Ar之外的從H到Ca的所有原子)中具有力學和動力學穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)為HC_6、NC_6、SC_6、BC_(12)、CC_(12)、PC_(12)、SC_(12)、ClC_(12)和KC_(12)。并且,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的彈性、聲速、德拜溫度和電子特性也都作了細致研究。此外,本文還對其他的新型半導體材料做了研究。新型立方超硬材料c-C_3N的維氏硬度為65 GPa,屬于間接帶隙半導體。并且,還對其力學各向異性和熱力學性質(zhì)做了研究。MoS材料的新結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了Imm2→Pnma→Pm-3m相變序列,其相變壓力點分別為5.5 GPa和45.3 GPa,且都屬于一級相變,體積降則分別為16.5%和6.2%。Imm2和Pnma相是間接帶隙半導體,而Pm-3m相則顯示出了金屬性質(zhì)。最后本文系統(tǒng)研究了直接帶隙硅晶體D135-Si的光學性質(zhì)。計算的介電函數(shù)虛部表明壓力對該結(jié)構(gòu)的光吸收特性影響最小,應變效應則分別沿c、b和a三個方向逐漸增強。基于第一性原理研究的這些新型結(jié)構(gòu)均具有相當不錯的綜合性能,如果可以在實驗上成功制備將具有很廣闊的應用前景。相信隨著計算技術(shù)的不斷提升和理論的不斷完善,模擬和預測新材料也將取得更好的成果,吸引越來越多的科研工作者參與其中。
【圖文】：

方金剛石（lonsdaleite）則是超硬絕緣體，其結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。此外許多其他穩(wěn)定態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的碳和碳化物材料已經(jīng)在實驗和理論計算中得到了廣泛的研究。圖1.1 晶格結(jié)構(gòu)圖。石墨(a)；富勒烯(b)；金剛石(c)；六方金剛石(d)眾所周知，在與切割、磨削和鉆孔等相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域中所使用的超硬材料中，金剛石占有非常重要的地位。但由于技術(shù)限制，其應用僅僅限于中等溫度下的非金屬材料和非鐵合金方面。再加上近年來，超硬材料的用途越來越廣泛，因此對于材料超硬特性方面的研究也越來越受到科研人員的關(guān)注，也促使了許多新技術(shù)和新型超硬材料的出現(xiàn)[1-17]，比如碳的同素異形體立方相 bct-C4[18]，單斜相 M-[19]、F-[20]、C2/m-[21]和 X-碳[22]，以及正交相 W-[23]、Z-[24]、oC32-[25]、Imma-碳[26]等大量的超硬碳材料。這些結(jié)構(gòu)有的已經(jīng)在實驗上成功合成

其結(jié)構(gòu)和焓性質(zhì)與已有的 M-碳結(jié)構(gòu)非常相似，并且該結(jié)構(gòu)在 14.4 GPa以上的壓力下比石墨更加穩(wěn)定，其硬度和體積模量則分別達到了 94 GPa 和 424 GPa。圖1.2 晶格結(jié)構(gòu)圖。HR-碳(a)；bct-C4(b)；M-碳(c)；C2/m-碳(d)；W-碳(e)；Imma-碳(f)相比于工業(yè)需求來說，目前已有的材料并不能完全滿足其需要，，因此理論上探索新型超硬碳材料來為實驗提供更好的支撐仍然十分的必要。此外，由于共價鍵形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)保證了碳材料的高硬度特性，但其非導電性質(zhì)卻限制了超硬碳材料在電子產(chǎn)業(yè)中的應用。而傳統(tǒng)的金屬性碳材料，如 K4-[27, 28]、K6-[29]和 T6-碳[30]等，卻并不屬
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.1

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本文編號：2591250