碳化硅和氮化硼陶瓷材料具有耐高溫、熱導(dǎo)率高和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點,在機械工業(yè)、核能以及航天航空各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在碳化硅材料的合成過程中和實際應(yīng)用條件下,通常都會不可避免的出現(xiàn)空位、間隙子、位錯和晶界等各種種類的缺陷,從而影響了材料力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等物理性能。因此,研究缺陷對碳化硅物理性質(zhì)的影響及其微觀機制具有重要的意義。由于氮化硼與碳結(jié)構(gòu)是等電子的,氮化硼可能與碳的同素異形體具有相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。近年來,隨著更多新型碳的同素異形體的出現(xiàn),與之相對應(yīng)的具有優(yōu)秀物理性質(zhì)的新型氮化硼結(jié)構(gòu)也得到了廣泛的研究。本論文采用非平衡態(tài)分子動力學(xué)的方法對SiC中的晶界缺陷對其熱輸運性質(zhì)的影響進行研究。研究表明晶界的存在對SiC中熱流的傳輸起到阻礙作用,且不同的晶界結(jié)構(gòu)對界面的熱導(dǎo)也有不同的影響,由五元環(huán)和七元環(huán)構(gòu)成的缺陷對比六元環(huán)對熱流的阻礙更大。通過對不同長度和不同橫截面積情形下體系的熱導(dǎo)進行對比,發(fā)現(xiàn)碳化硅中晶界熱導(dǎo)具有尺寸效應(yīng)。我們還對Σ9晶界在高溫下的界面熱阻進行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度大于500K時,界面熱阻將隨著溫度的升高不斷增大。此結(jié)果主要是由于隨著溫度的升高,將有更多的低頻聲子被激發(fā),隨著聲子與聲子間的散射不斷增強,界面處的熱阻逐漸增加。本論文采用第一性原理密度計算方法,設(shè)計了新型的蜂巢型氮化硼材料HCBN。HCBN是一種具有P6m2對稱性的六角結(jié)構(gòu),由互相之間成120°的氮化硼納米帶通過sp~2鍵鏈接而成,是一種具有低密度的多孔結(jié)構(gòu)。首先,通過對聲子譜、結(jié)合能等計算確定了其熱動力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)穩(wěn)定性;其次,通過對彈性常數(shù)的計算又確定了HCBN的力學(xué)穩(wěn)定性,并利用彈性常數(shù)的結(jié)果計算得到了不同尺寸的HCBN的體彈模量,是一種力學(xué)性能較好的結(jié)構(gòu);最后又對其電學(xué)性質(zhì)進行研究,計算了HCBN的能帶結(jié)構(gòu)、PDOS、ELF,結(jié)果表明HCBN結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出本征金屬性,并且確定了其金屬性的來源為氮化硼納米帶節(jié)點處B1原子周圍非局域的2p軌道上的電子。我們又對HCBN進行了XRD模擬,通過XRD譜的特征峰可以確定特殊的結(jié)構(gòu),為實驗上分辨和確定新型氮化硼結(jié)構(gòu)HCBN提供了幫助。我們的研究成功預(yù)測了一種可以穩(wěn)定存在的新型蜂巢型氮化硼材料HCBN,其獨特的金屬性,為氮化硼材料在電子領(lǐng)域的使用提供了途徑。本論文第一性原理計算預(yù)測并研究了兩種新型的氮化硼化合物C12-BN和O16-BN。通過對C12-BN和O16-BN兩種結(jié)構(gòu)的能量進行計算,確定了它們的能量穩(wěn)定性。兩種結(jié)構(gòu)的聲子譜中都沒有虛頻的存在,證明了C12-BN和O16-BN的動力學(xué)穩(wěn)定性。通過彈性常數(shù)的計算,又進一步確定了兩種結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性。我們對C12-BN和O16-BN的力學(xué)性質(zhì)進行了研究,結(jié)果表明C12-BN具有較高的體彈模量,且是一種超硬材料。O16-BN的力學(xué)性能較差,但是其低密度的多孔結(jié)構(gòu)特性,使其可以穩(wěn)定吸附Li原子,可能是一種潛在的儲能材料。通過電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的計算,我們還對C12-BN和O16-BN的電學(xué)性質(zhì)就行了研究,發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)均為絕緣體,帶隙分別為3.02 eV和3.54 eV。通過計算兩種結(jié)構(gòu)的XRD譜,得到了各自結(jié)構(gòu)的特征峰。我們的工作找到了幾種全新的穩(wěn)定氮化硼結(jié)構(gòu),豐富了氮化硼家族體系,且為實驗上尋找和確定新的優(yōu)異性能的氮化硼材料提供指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.1
【部分圖文】：

圖 1.1 碳化硅晶體的基本結(jié)構(gòu)單元：Si-C 配位四面體。igure 1.1 The Si-C tetrahedron structural unit of SiC crys 晶體中的堆垛結(jié)構(gòu)層：Si-C 雙原子層。有許多種類的同質(zhì)異形結(jié)構(gòu)，為了比較清晰地描述可以采取碳化硅結(jié)構(gòu)層的方法，即硅碳雙原子層�；柚械墓杼兼I結(jié)合很強，但是組成晶體結(jié)構(gòu)的2.50mJ/m2。從而密排面之間比較容易發(fā)生滑移形也是碳化硅擁有同質(zhì)多型特點的主要原因。在所 原子密排層和 C 原子密排層組成的。其中，Si 原相同平面內(nèi)的所有六方結(jié)構(gòu)晶格位置形成的；與之 原子通過在同一平面內(nèi)占據(jù)所有的六方結(jié)構(gòu)晶格排層平面都與一個法線方向相垂直。Si 原子密排層

圖 1.2 SiC 晶體中的 Si-C 雙原子層結(jié)構(gòu)連接示意圖。Figure 1.2 The connection schematics of Si-C bilayer in silicon carbide化硅晶體結(jié)構(gòu)中，有很多的硅碳雙原子層，且每個硅碳雙原子兩個最近鄰的雙原子層結(jié)合起來。相鄰的碳硅雙原子層之間通接形成堆垛，由晶體對稱性知識可知共有 3 種可能的連接方式 (b)所示，當(dāng)碳硅雙原子層中的 C 原子與位于相鄰硅碳雙原子相連接時，后邊的硅碳雙原子層中碳面上的C原子位于圖中的方式為 AB 型連接。第二種連接方式為：當(dāng)碳硅雙原子層中的硅碳雙原子層硅面上的 Si 原子相連接時，后邊的硅碳雙原子子位于圖中的 C 位置。此種連接方式為 AC 型連接，如圖 1.接方式為：當(dāng)位于碳硅雙原子層的碳面上的碳原子占據(jù)圖 1.2與相鄰雙原子層中的硅原子相連接時，后者雙原子層碳面上的

圖 1.3 (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC, (d) 15R-SiC 以及(e) 3C-SiC 五種碳化硅同素異形體在(1 1 -2 0)面上的硅碳雙原子層連接示意圖。Figure 1.3 The connection schematics of Si-C bilayer in (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC,(d) 15R-SiC and (e) 3C-SiC.表 1.1 五種常見 SiC 晶體類型的晶格常數(shù)。Table 1.1 Lattice constants of five kinds of SiC allotropes.晶體類型 晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)/10-10ma c2H-SiC 六方 3.0817 5.03944H-SiC 六方 3.073 10.0536H-SiC 六方 3.073 15.1183

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 臧航;黃智晟;李濤;郭榮明;;單晶六方SiC和多晶化學(xué)氣相沉積SiC的常溫輻照腫脹差異性[J];物理學(xué)報;2017年06期

2 劉桂玲;黃政仁;劉學(xué)建;董紹明;江東亮;;碳化硅表面改性和光學(xué)鏡面加工的研究現(xiàn)狀[J];無機材料學(xué)報;2007年05期

本文編號：2813429