金屬氮化物因其非常特殊的物理和化學性能（高熔點、高硬度、耐腐蝕、超導性、光致發(fā)光性等）,被廣泛應用于化工、機械、航天工業(yè)領域,且在催化以及能源領域具有潛在的應用價值。第IVB族的鈦氮化合物和鋯氮化合物中的許多都可做特殊的陶瓷材料,且同時具有過渡金屬和共價化合物的特性,所以一直備受人們關注。利用第一性原理方法,本文研究了六種不同晶相的TiN和ZrN的穩(wěn)定性、相變、力學和電學性質。結果表明,在T=0 K,P=0 GPa時兩類氮化物中均是B1相最穩(wěn)定。通過計算相對焓值隨壓強的變化關系得到了如下結果:在TiN結構中,B1到B2相、B1到P6₃/mmc相、B2到WC相、B3到WZ相的相變壓強分別為340 GPa、274 GPa、164 GPa和122 GPa;在ZrN結構中,B1到B2相、B1到NiAs相、B2到WC相、B3到WZ相的相變壓強分別為209 GPa、138 GPa、92 GPa和185 GPa。力學和電學性質的分析表明所有結構都滿足力學穩(wěn)定性條件并具有金屬性。此外,我們還系統(tǒng)研究了鈦和鋯三種不同組分氮化物的力學及電學性質。通過計算二階彈性常數(shù)發(fā)現(xiàn),在同一物質中... 

【文章來源】：內(nèi)蒙古大學內(nèi)蒙古自治區(qū) 211工程院校

【文章頁數(shù)】：62 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

Wriedt[37]等人的Ti-N相圖

內(nèi)蒙古大學碩士學位論文41.1.2TMN(TM=Ti,Zr)相變、力學性質和電子結構的研究進展近幾十年來，TMN化合物優(yōu)異的性質引起了人們的廣泛關注。而TiN是其中最重要的一種，它的硬度和剪切強度比較大，這是由于Ti原子和N原子之間有很強的共價鍵并且極性較弱[45]。TiN首先被Story-Maskelyne從隕石中分離出來，并結晶成著名的巖鹽結構[46]。從此，人們便開始從理論和實驗方面入手研究它的性質。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的研究都集中在TiN的B1結構上，但是目前關于TiN的六種結構都已經(jīng)被報道，分別為B1、B2、B3、WC、WZ和P63/mmc，遺憾的是，只有B1相有實驗證據(jù)證明其存在[47]。B1、B2、B3和WZ結構的力學和電學性質已經(jīng)被報道[48-50]。其中B2結構的各向異性最明顯[51]。B1屬于脆性材料[51]；B2、B3和WZ結構具有延展性[20,50]。所有結構均具有金屬性[48,52]。在2017年Sun[51]等人用CALYPSO方法搜索和預測了P63/mmc結構，計算了其在0GPa時的聲子譜，發(fā)現(xiàn)并沒有虛頻，同時計算了關于B1、B2和P63/mmc結構的相變壓強，B1相在270GPa時變?yōu)镻63/mmc結構，接著P63/mmc在348GPa時轉變?yōu)锽2結構。并且還做出了體積隨壓強變化的曲線，如圖1.3(a)，表明B1變化到P63/mmc結構為二級相變，P63/mmc到B2結構為一級相變。通過對其力學和熱學性質的分析表明，P63/mmc結構屬于脆性材料并且具有較大的德拜溫度。Zhu[20]和Gu[53]等人均提出了WC結構，但是關于它的晶格常數(shù)仍然存在爭議。關于TiN的相變，研究基本集中在B1相和B2相之間的相變，并且相變壓存在很大爭議。圖1.2Gribaudo[39]等人的Zr-N相圖Fig.1.2Zr-NphasediagramofGribaudo[39]

內(nèi)蒙古大學碩士學位論文6圖1.3(a)B1、P63/mmc和B2相體積隨壓強的變化關系[51](b)6種TiN結構的焓隨壓強的變化關系[53](c)在T=0K時TiN的B2、B3和WC相相對于B1相的焓和壓強的變化關系[20](d)在T=0K時ZrN的B2、B3、NiAs和WC相相對于B1相的焓和壓強的變化關系[60]Fig.1.3(a)Pressure-volumerelationsfortheB1,P63/mmcandB2phases[51](b)Pressure-enthalpyrelationsforsixstructuresofTiN[53](c)CalculatedTiN’senthalpyforB2,B3andWCphaseswithrespecttoB1phaseasafunctionofpressureatT=0K[20](d)CalculatedZrN’senthalpyforB2,B3,NiAsandWCphaseswithrespecttoB1asafunctionofpressureatT=0K[60]1.1.3TMNx(TM=Ti,Zr;x=0.5,2)相變、力學性質和電子結構的研究進展1962年，擁有空間群P42/mnm的Ti2N結構被提出，晶格常數(shù)為a=4.9452和c=3.0342，該結構屬于反金紅石型[72]。Yu[27]等人研究了其力學和電學性質，計算結果表明ε-Ti2N(P42/mnm)屬于脆性材料；具有各向異性、金屬性并且其維式硬度（Hv）為11.87。ε-Ti2N(P42/mnm)是Ti2N在零壓下最穩(wěn)定的相，而δ’相（I41/amd）只能在高溫下存在[73]。在零溫下，基于總能量和聲子譜計算，Ivashchenko[74]等人預測了從ε-Ti2N(P42/mnm)到Au2Te型再到Al2Cu型結構的相變壓強為77.5GPa和86.7GPa。2017年，Yu[44]等人用USPEX軟件搜索到了Zr2N結構，與ε-Ti2N具有相同的空間群，并簡要研究了其力學和電學性質。(a)(b)(c)(d)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高壓下TiN的結構轉變、彈性和熱力學性質的第一性原理計算（英文）[J]. 郝愛民,周鐵軍,朱巖,劉鑫.  高壓物理學報. 2012(04)
[2]TiN多型體高壓相變的第一性原理計算[J]. 顧雄,高尚鵬.  物理學報. 2011(05)



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