高壓下ReB-,2-物性的第一性原理計(jì)算.pdf

1、近幾年超硬物質(zhì)一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)，因?yàn)槌膊牧系挠猛痉浅V泛，無論是鉆探石油和修公路用的鉆頭，還是精密儀器和手表表面的抗磨涂層，都需要使用超硬材料。但是，幾乎所有的超硬材料，如金剛石、立方結(jié)構(gòu)的氮化硼等等，它們都是在昂貴的高壓條件下制造出來的，其價(jià)格非常的貴。后來加州大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種制造超硬材料的新方法合成了超硬物質(zhì)硼化錸。這種材料只需要通過一種簡單的程序就可以制造出來，不需要使用壓力。合成出的硼化錸具有短共價(jià)鍵，且錸金屬中錸原

2、子的分割距離僅擴(kuò)大5％，從而使其既具有“不可壓縮性”，又非常堅(jiān)硬。在某個方向上，硼化錸的“不可壓縮性”與金剛石相同，在另一個方向上，硼化錸的“可壓縮性”僅比金剛石稍高。在低作用力下，硼化錸的硬度與立方結(jié)構(gòu)的氮化硼相等。在更高的作用力下，硼化錸的硬度僅比氮化硼稍低。 硼化錸是一種新型超硬材料，它的研究和發(fā)展，與其他材料相比，無論是開發(fā)，還是理論研究都不是很深入和成熟，大規(guī)模應(yīng)用也受到限制，所以它還不可能在短時(shí)間內(nèi)取代金剛石。我們可

3、以預(yù)言，在不久的將來，它的應(yīng)用必定有長足的發(fā)展。但是目前在高壓下的一些基本問題(包括其幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及成鍵的機(jī)制等)還未獲得解決。本文對其的主要研究分為三個部分： 首先，利用平面波贗勢密度泛函理論計(jì)算了硼化錸的基本性質(zhì)參數(shù)，包括晶格常數(shù)α和c、體彈模量B0、體彈模量對壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)B'0，這些參數(shù)值分別為2.9135A、7.4932A、339 GPa、4.10，我們還計(jì)算了五個獨(dú)立的彈性常數(shù)C11、C12、C13、C33、C

4、44。我們計(jì)算的結(jié)果與其他理論值相符得比較好。由彈性常數(shù)，我們推導(dǎo)出在零壓、溫度300 K時(shí)的德拜溫度為712.70 K，這個結(jié)果與我們通過準(zhǔn)諧德拜模型計(jì)算出的結(jié)果ΘD=716K理論上比較接近。 其次，我們通過準(zhǔn)諧德拜模型(Quasi—harmonic Debye Model)研究了硼化錸熱力學(xué)性質(zhì)，給出了不同壓強(qiáng)和不同溫度下的熱容和德拜溫度的計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)熱容隨著壓強(qiáng)增加而減小，德拜溫度隨壓強(qiáng)增加而增加。我們還擬合了不同壓強(qiáng)(0

5、 GPa，、30 GPa、60 GPa)下熱容和溫度的關(guān)系，當(dāng)溫度低于1500 K時(shí)，熱容隨溫度的增加而增加，但當(dāng)溫度高于1500 K時(shí)，熱容幾乎接近所有固體在高溫條件下所要遵循的Dulong—Petit值，即9NAкB(≈74.83 J mol-1 K-1)。 最后，我們計(jì)算了硼化錸的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度。通過對能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度分析，從理論上驗(yàn)證了硼化錸的金屬特性。我們還通過能帶理論，利用CASTEP軟件包，討論了硼化錸在不同