新型超硬功能材料的设计与硼碳氮体系杂质行为的理论研究

论文摘要

本工作采用第一性原理设计了两种新型B-C及C-N材料,并对其稳定性及其相关性质作了系统的研究;针对几种典型的B-C-N体系,研究了杂质行为及其压力效应,主要包括c-BN和c-BC2N等超硬半导体材料中杂质的形成能、电子能级的位置等随压力的变化情况,研究了材料中可能存在的杂质或缺陷类型及其在压力下的稳定性问题.具体的研究工作介绍如下:（一）由简立方C20结构出发,通过取代设计了两种材料,C3N2和B2C3。研究结果表明,C3N2有α-C3N2和β-C3N2两个相,α-C3N2存在压力范围为0-1.2GPa,β-C3N2为C3N2的高压相。通过第一性原理硬度计算知道其韦氏硬度均约为86GPa,介于c-BN（68GPa）和金刚石（98GPa）之间;B2C3具有金属性质,在3K时可以转变为超导体相。（二）研究了立方氮化硼中几种杂质在压力下的行为。（1）压力下立方氮化硼本征空位的研究。发现在富氮条件下硼空位的形成焓随压力的增加而减小,根据平衡杂质浓度公式,可以知道随压力的增加,硼空位的平衡浓度在增大;在富硼条件下,氮空位的形成焓随压力的增加而增加,其平衡浓度随压力的增加而减小。（2）立方氮化硼中碳取代硼或取代氮杂质行为的研究。结果表明在60GPa范围内碳取代硼的形成焓随压力的增加而减小,说明在压力下其更加稳定存在,平衡浓度也在增加;而碳取代氮的形成焓随压力的增加而增加,说明在压力下其变得不大稳定了且其平衡浓度变小。（3）立方氮化硼中氮或氧取代硼的研究。结果表明这两种取代杂质的形成焓都随压力的增加而减小,即在压力下其变的更加稳定,平衡浓度更大些。（三）研究了立方BC2N中本征杂质的行为。研究结果显示,在BC2N体材料中,空位的形成能都比较高,则空位不能稳定存在于材料中。而取代杂质（ BC II、N CI、C N）的形成能都比较低,甚至为负值,表明这几类替代杂质容易形成且能稳定存在于BC2N材料中,其浓度比较高。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 超硬半导体材料
• 1.1.1 金刚石
• 1.1.2 立方氮化硼（c-BN）
• 3N₄）'>1.1.3 立方氮化碳（β-C₃N₄）
• 2N）'>1.1.4 立方硼碳氮化合物（c-BC₂N）
• 1.2 半导体材料中的杂质和缺陷
• 1.3 本研究的目的
• 第二章 基于密度泛函的第一性原理计算方法
• 2.1 多粒子系统中的近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 交换关联近似（LDA 和GGA）
• 2.2.4 布洛赫（ Bloch）定理
• 2.3 平面波赝势方法
• 2.4 自洽计算
• 2.5 k 空间取样规则
• 2.6 自洽场计算的收敛与平面波数,截断动能和有限基修正
• 2.7 快速傅立叶变换（FFT）
• 2.8 三维晶格振动的声子解
• 2.8.1 动力学方程
• 2.8.2 线性响应理论
• 2.9 缺陷形成能的计算
• 2.9.1 元素的化学势
• 2.9.2 形成能的概念
• 2.10 硬度的第一性原理计算
• 2.11 立方晶系的弹性常数计算
• 第三章 新型轻元素（B-C-N）材料的设计
• 3.1 计算方法和细节
• 20的电子结构'>3.2 C₂₀的电子结构
• 3N₂'>3.3 α-C₃N₂
• 3N₂ 的力学稳定性'>3.3.1 α-C₃N₂的力学稳定性
• 3N₂ 的动力学稳定性'>3.3.2 α-C₃N₂的动力学稳定性
• 3N₂ 的力学稳定性'>3.3.3 β-C₃N₂的力学稳定性
• 3N₂ 的动力学稳定性'>3.3.4 β-C₃N₂的动力学稳定性
• 3.3.5 热动力学稳定性
• 3.3.6 不可压缩性
• 3.3.7 态密度
• 3.3.8 硬度的讨论
• 3.3.9 韦氏硬度的计算
• 2C₃'>3.4 B₂C₃
• 3.4.1 力学稳定性
• 3.4.2 动力学稳定性
• 3.4.3 电子结构
• 3.4.4 超导电性
• 3.5 本章结论
• 第四章 压力下立方氮化硼杂质性质的研究
• 4.1 压力下本征空位的第一性原理研究
• 4.1.1 缺陷的稳定性
• 4.1.2 形成体积随压力的变化
• 4.1.3 形成焓随压力的变化
• 4.1.4 电子能级随压力的变化
• 4.2 压力下碳取代杂质的第一性原理研究
• 4.2.1 碳取代杂质的稳定性
• 4.2.2 碳取代杂质的形成焓随压力的变化
• 4.2.3 碳取代杂质的电子能级
• 4.2.4 碳取代杂质的杂质能级随压力的变化
• 4.3 压力下硼相关杂质的第一性原理研究
• 4.3.1 几种与硼相关杂质的形成能
• 4.3.2 几种与硼相关杂质的形成体积
• 4.3.3 几种与硼相关杂质的体模量
• 4.3.4 不同价态杂质位形及体积随压力的变化
• 4.4 本章结论
• 2N 杂质性质的研究'>第五章 立方 BC₂N 杂质性质的研究
• 5.1 电子结构
• 2N 形成能的计算'>5.2 BC₂N 形成能的计算
• 2N 本征杂质的形成能'>5.3 立方BC₂N 本征杂质的形成能
• B、C_N、N_B和B_N ）的态密度'>5.4 取代杂质（C_B、C_N、N_B和B_N）的态密度
• CII和N_CI )的态密度'>5.5 取代杂质( B_CII和N_CI)的态密度
• 5.6 本章结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract