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新型CaB4晶体的生长与物理性质研究

2020-12-11阅读(672)

新型CaB4晶体的生长与物理性质研究

论文摘要

硼化物陶瓷由于其高的熔点和化学稳定性及良好的耐高能粒子轰击性等,通常被应用作为具有优良性能的特殊功能材料。由于MgB2超导电性的发现,碱土金属硼化物受到了人们极大地关注,而钙-硼体系化合物作为碱土金属硼化物的重要一员,自然也引起众多科学家的研究热情。在常压Ca-B相图中,仅有立方结构CaB6一种化合物。尽管有报道指出可能存在与稀土元素四硼化物结构一致的CaB4化合物,但一直没在实验上成功合成出这种晶体。Schmitt等人采用固态反应法制备了CaB4-xCx化合物（0< x <5%）,这种晶体的合成与碳的掺杂有关,使用不同的原料,改变反应条件都未能得到纯CaB4化合物。我们小组采用高温高压的方法成功合成了纯的CaB4单晶体,研究表明CaB4是一种高压下的稳定相。研究成果丰富了Ca-B体系的相形成规律,并为获得新型硼化物提供了有效的新途径。本文对CaB4晶体的形成规律和物理性质作了系统性研究。研究结果表明在CaB4晶体形成过程中,硼首先以固液反应方式溶入液态钙中,然后与钙反应形成CaB4晶体析出。当反应温度较低时,合成的晶体多为细长棒状,获得的晶体数量相对较少。当反应温度较高时,溶入的硼量增多,进而能获得尺寸较大的块状晶体,且晶体形成的产率较高。实验获得的CaB4晶体密度为2.62（±0.03） g/cm3。采用电感耦合等离子体（ICP）法测定CaB4晶体中元素含量比为Ca∶B = 1∶4.1。CaB4晶体电性能测试发现,其电阻率随着温度的变化规律符合金属性导电机制,其剩余电阻为ρ（2 K） = 6.7μ（?）cm,霍尔测量表明晶体的多数载流子是电子。应用德拜和爱因斯坦两个模型,对CaB4晶体的热容和电阻率随温度变化规律进行了表征。晶体的磁性测量表明纯净CaB4晶体为顺磁性。通过对喇曼实验偏光配置,测量到了四条散射谱。对CaB4晶体进行Mn元素掺杂研究表明:采用高温高压方法制备Ca-Mn合金能有效抑制钙的挥发和氧化。通过对掺杂晶体喇曼散射测量发现,A1g和Eg模式的高频部分的散射峰位移较为明显,位移量与合金中的掺杂元素的量有关系,并且由掺杂Mn量大的合金合成的晶体电阻率小,晶体的导电性比由掺杂量少的合金合成晶体的好,可以判定晶体内部有掺杂元素进入。通过第一性原理计算研究了CaB4晶体的能带结构、光学常数、弹性常数、声子谱等。指出了CaB4的晶格振动中的两类红外吸收激活振动模式（A2u和Eu）,四类喇曼散射激活振动模式(A1g、B1g、B2g和Eg)。通过第一性原理研究了掺杂CaB4晶体的能带和自旋极化。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 硼及其化合物简介
  • 1.1.1 单质硼的性质
  • 1.1.2 硼的化合物及性质
  • 1.1.3 二元金属硼化物的晶体结构
  • 1.1.4 硼化物的性质和用途
  • 1.2 钙硼化合物的制备
  • 6 粉末制备方法'>1.2.1 CaB6粉末制备方法
  • 6 多晶体合成'>1.2.2 CaB6多晶体合成
  • 6 单晶体合成'>1.2.3 CaB6单晶体合成
  • 4 晶体的合成'>1.3 CaB4晶体的合成
  • 4 晶体的合成'>1.3.1 常压下C 掺杂CaB4晶体的合成
  • 4 晶体的合成'>1.3.2 高压下CaB4晶体的合成
  • 6 晶体的磁性'>1.4 掺杂CaB6晶体的磁性
  • 1.5 第一性原理计算简介
  • 1.6 论文研究目的和内容
  • 4的性能研究'>第2章 CaB4的性能研究
  • 4 晶体的生长模式'>2.1 CaB4晶体的生长模式
  • 2.1.1 高温高压合成实验
  • 2.1.2 实验合成晶体的形貌
  • 2.1.3 晶体的生长规律
  • 4 晶体结构和成分分析'>2.2 CaB4晶体结构和成分分析
  • 4 单晶体衍射分析'>2.2.1 CaB4单晶体衍射分析
  • 4 晶体成分分析'>2.2.2 CaB4晶体成分分析
  • 4 单晶体的导电性'>2.3 CaB4单晶体的导电性
  • 4 单晶体的导电性测量'>2.3.1 CaB4单晶体的导电性测量
  • 4 单晶体的电阻率随温度的变化'>2.3.2 CaB4单晶体的电阻率随温度的变化
  • 4 单晶体电阻在磁场中的变化'>2.3.3 CaB4单晶体电阻在磁场中的变化
  • 4 单晶体霍尔系数的测量'>2.3.4 CaB4单晶体霍尔系数的测量
  • 4 晶体的热容测量'>2.4 CaB4晶体的热容测量
  • 4 的磁性研究'>2.5 CaB4的磁性研究
  • 6 晶体的磁性'>2.5.1 CaB6晶体的磁性
  • 4 晶体的磁性分析'>2.5.2 CaB4晶体的磁性分析
  • 4 晶体的红外和喇曼散射光谱分析'>2.6 CaB4晶体的红外和喇曼散射光谱分析
  • 4 样品的红外吸收光谱'>2.6.1 CaB4样品的红外吸收光谱
  • 4 晶体的喇曼散射光谱'>2.6.2 CaB4晶体的喇曼散射光谱
  • 4 单晶体的硬度'>2.7 CaB4单晶体的硬度
  • 4 单晶体的场发射性能'>2.8 CaB4单晶体的场发射性能
  • 2.9 本章小结
  • 4的掺杂实验'>第3章 CaB4的掺杂实验
  • 3.1 掺杂元素的选择
  • 3.2 镁元素掺杂实验
  • 3.3 锰元素掺杂实验
  • 3.3.1 合金的制备及分析
  • 4 的磁性分析'>3.3.2 Mn 掺杂CaB4的磁性分析
  • 4 的喇曼散射光谱分析'>3.3.3 Mn 掺杂CaB4的喇曼散射光谱分析
  • 4 的电阻'>3.3.4 Mn 掺杂CaB4的电阻
  • 3.4 本章小结
  • 4的第一性原理研究'>第4章 CaB4的第一性原理研究
  • 4 晶体的理论计算'>4.1 CaB4晶体的理论计算
  • 4 晶体的形成焓'>4.2 CaB4晶体的形成焓
  • 4 晶体的光学常数计算'>4.3 CaB4晶体的光学常数计算
  • 4 的折射色散谱'>4.3.1 CaB4的折射色散谱
  • 4 晶体的介电系数和光吸收色散谱'>4.3.2 CaB4晶体的介电系数和光吸收色散谱
  • 4 晶体的光电导和损耗系数色散谱'>4.3.3 CaB4晶体的光电导和损耗系数色散谱
  • 4 晶体的反射系数色散谱'>4.3.4 CaB4晶体的反射系数色散谱
  • 4 晶体的弹性性质'>4.4 CaB4晶体的弹性性质
  • 4 晶体的费米面'>4.5 CaB4晶体的费米面
  • 4 晶体的声子振动'>4.6 CaB4晶体的声子振动
  • 4.6.1 红外吸收和喇曼散射选择定则
  • 4 晶体红外吸收和喇曼散射的理论计算'>4.6.2 CaB4晶体红外吸收和喇曼散射的理论计算
  • 4.7 本章小结
  • 4的第一性原理研究'>第5章 掺杂CaB4的第一性原理研究
  • 4 晶体的第一主族元素掺杂'>5.1 CaB4晶体的第一主族元素掺杂
  • 4 晶体的第二主族元素掺杂'>5.2 CaB4晶体的第二主族元素掺杂
  • 4 晶体的氮、氧元素掺杂'>5.3 CaB4晶体的氮、氧元素掺杂
  • 4 晶体的铁磁性元素掺杂'>5.4 CaB4晶体的铁磁性元素掺杂
  • 4 晶体的其它元素掺杂'>5.5 CaB4晶体的其它元素掺杂
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
  • 致谢
  • 作者简介

    • 相关论文文献

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