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超硬材料PtN_2和ReB_2力学性质的第一性原理计算

作　者: 朱晓玲
导　师: 李德华
学　校: 四川师范大学
专　业: 理论物理
关键词: PtN2 ReB2 第一性原理 力学性质 超硬物质
分类号: TB302
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 183次
引　用: 4次
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内容摘要


近年来无论是在实验上还是在理论上,超硬材料一直是一个热门的研究课题。具有高硬度的材料不但可用于研磨、抛光、涂层工艺,也可用于制成各种工具应用于现代工业领域。它们除了具有高的硬度外,还有着独特的光学、电学和磁学特性。因此,有相当多的理论和实验研究工作致力于寻找新的超硬材料。制造超硬材料的方法之一就是寻找具有“不可压缩性”的金属并设法使其坚硬。硬度较大的过渡金属元素与氮和硼合成的新物质则尤为令人关注。因此,本文从理论上对贵金属氮化物和硼化物进行研究。本文采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,交换关联能函数采用了局域密度近似来描述,使用了Hamann建立的规范守恒赝势,我们通过构造晶包模型,对PtN2和ReB2进行晶格优化,得到稳定结构,并获得了它们平衡态的晶格常数。本文在几何结构优化的基础上,对PtN2的黄铁矿和STAA结构的基本性质参数分别进行了研究,通过能量与体积曲线,发现STAA结构比黄铁矿结构具有更低的能量,表明PtN2的黄铁矿结构在环境条件下是处于亚稳定状态,这与Daniel ?berg等人的观点一致。根据Pugh提出的经验判据,得出PtN2是易脆的物质,并且随着压强增加PtN2由脆性逐渐过渡到延性。两种结构的能带结构和态密度表明了黄铁矿结构的PtN2是半导体而STAA结构的PtN2都是导体。对ReB2的研究结果表明,与其它的超硬物质相比,我们发现ReB2是一种低压缩性的超硬物质。通过对压缩波各向异性参数和剪切波各向异性参数的计算发现,无论是零压还是高压下它们都大于1,ReB2表现出很强的压缩各向异性和剪切各向异性。弹性常数c3 3在各个压力点都大于c1 1,表明ReB2在z方向的硬度要比在x、y方向的硬度大。能带结构和态密度还表明了ReB2显金属性,并且具有强的共价键。最后,由本文对PtN2和ReB2的计算结果表明这两种超硬材料的体模量和剪切模量都较大,共价键较强。本文的研究结果对超硬材料的进一步研究工作具有一定的参考意义。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章 引言  9-18
  1.1 超硬材料的研究背景  9-10
  1.2 超硬材料研究现状  10-13
  1.3 超硬材料的应用  13-14
  1.4 第一性原理计算的发展与意义  14-16
  1.5 论文选题的目的、意义及主要内容  16-18
    1.5.1 论文选题的目的和意义  16
    1.5.2 论文的主要内容  16-18
第二章 计算理论基础和CASTEP 简介  18-38
  2.1 早期的单电子近似理论  18-21
    2.1.1 绝热近似（Born-Oppenheimer 近似）  18-19
    2.1.2 Hartree-Fock 近似  19-21
  2.2 密度泛函理论  21-29
    2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理  22-23
    2.2.2 Kohn-Sham(沈吕九)方程  23-25
    2.2.3 局域密度近似(Local Density Approximation, LDA)  25-27
    2.2.4 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）  27-29
  2.3 赝势平面波方法  29-33
    2.3.1 模守恒赝势  30-31
    2.3.2 超软赝势  31-33
  2.4 自洽场计算  33-34
  2.5 固体能带理论  34-37
  2.6 CASTEP 软件  37-38
第三章 材料的物理性质计算方法  38-49
  3.1 材料的结构  38-40
    3.1.1 空间群  38-39
    3.1.2 状态方程  39-40
  3.2 弹性性质  40-46
    3.2.1 弹性理论  40-41
    3.2.2 弹性常数的计算  41-46
  3.3 材料的硬度  46-49
第四章 PtN_2的结构和力学性质的第一性原理计算  49-59
  4.1 引言  49
  4.2 计算方法  49-50
  4.3 结果与讨论  50-58
    4.3.1 平衡态的晶格常数  50-51
    4.3.2 力学性质的计算结果和讨论  51-56
    4.3.3 电子结构特性  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章 ReB2 的结构和力学性质的第一性原理计算  59-69
  5.1 引言  59
  5.2 计算方法  59
  5.3 果和讨论  59-67
    5.3.1 平衡态的晶格参数  59-61
    5.3.2 力学性质的计算结果和讨论  61-66
    5.3.3 电子结构特性  66-67
  5.4 本章小结  67-69
结语  69-71
参考文献  71-77
在校期间的科研成果  77-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 工程材料一般性问题 > 工程材料试验
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