若干种新型材料的结构和性质的理论研究

论文摘要

随着计算机硬件和软件技术的发展以及计算理论的完善,计算机对材料结构和性质的模拟已经逐渐脱离对物化实验的依附,成为一门独立的交叉学科。本论文简单地介绍了计算材料学的发展和主要研究方法,包括第一性原理和分子动力学。基于这些计算方法,研究了若干材料的结构性质、力学性质、光学性质等。本论文主要包括以下几方面的内容:一、利用第一性原理研究了IVA-V和IVB-V族化合物的电子结构和光学性质。由于在各种领域的应用价值,IVA-V族化合物在过去几十年中一直受到广泛的关注。例如C3N4、Si3N4和Ge3N4以较高的体积模量和较大的禁带宽度著称,在高性能的工程材料中有很高的应用价值。近来C、Si、Ge、sn等Ⅳ族元素的磷化物也逐渐被合成,它们具有3:4的化学计量比,被证实具有赝立方的结构。IVB族的氮化物也是人们非常感兴趣的材料。拥有3:4化学配比的IVB族氮化物具有Th3P4结构。本论文采用第一性原理对具有稳定赝立方结构的Si3P4、Ge3P4、Sn3P4和立方结构的Ti3N4、Zr3N4、Hf3N4进行了计算,得到了它们的能带、态密度、体积模量、以及各种光学性质谱线。结果表明赝立方结构的A3P4（A为Si、Ge和Sn）是间接带隙的半导体,相比于他们的氮化物,磷化物具有较小的体积模量,并且没有很大的各向异性。而立方结构的M3N4（M为Ti、Zr和Hf）也是间接小带隙的半导体。对光学性质的研究得到A3P4的饱和有效电子数随着阳离子的原子序数的增加而减小而M3N4则恰好相反。两类材料都具有较大的静态介电常数,因此可望在未来的微电子行业中获得应用。二、理论和实验相结合研究了相变存储材料Ge2Sb2Te5（GST）的电子结构和光学性质。随着计算机多媒体技术的发展,对存贮介质的要求进一步提高,不仅读写速度要快,而且必须有大的存储密度和容量,而在其它光盘日趋达到存储极限的时候,相变光盘受到越来越多的关注,成为下一代存储技术首要的突破点。在众多的相变存储材料中,GST材料拥有很好的热稳定性、很高的晶化效率、以及具有很大数量的读写次数。工业上对GST的应用是利用它的非晶结构和立方亚稳态结构之间电学和光学性质的差别进行两态存储,从而达到读写数据的目的。本论文对具有非晶结构、立方亚稳态结构和六角密堆积结构的GST进行了理论和实验的研究。结果表明立方结构具有半导体的性质,而六角结构的GST更像金属或简并的半导体;立方结构和六角结构之间的反射率对比度虽然不及非晶结构和立方结构之间的差别那么明显,但是仍然有可能作为存储介质,这样就提出了GST在非晶、立方和六角结构三个状态之间实现“多态存储”的可能性。三、液态Al60Cu40合金的微观结构的实验和理论研究。非晶态的金属玻璃和液态的金属合金是材料科学中炙手可热的研究课题。不同于晶体,无定形和液态结构不具备长程有序性。近来的研究发现,无定形和液态结构的短程和中程有序性对这些玻璃和液态材料的性质起到了重要的作用。本文从实验和理论上研究了液态Al60Cu40合金的微观结构随液态温度的变化。结果表明利用第一性原理的理论方法建立的模型可以很好的描述实验测量的结果。在此基础上,通过多种分析方法研究了该液态体系中的微观结构随温度的演变过程。在研究的温度范围内系统发生了明显的结构变化,随着温度的降低,体系中的团簇种类的数目减小,有序度增加,类二十面体结构逐渐增加,因此类二十面体结构在液态Al60Cu40合金中起着非常重要作用。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多尺度的材料模拟
• 1.2 计算材料学的发展现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第二章 材料性质的理论计算研究方法简介
• 2.1 第一性原理及密度泛函理论基础
• 2.1.1 密度泛函理论基本思想
• 2.1.2 交换关联势
• 2.1.3 赝势
• 2.2 力学性质的计算
• 2.3 光学性质的计算
• 2.4 分子动力学方法简介
• 2.5 液态和非晶态结构的分析方法
• 2.5.1 对关联函数
• 2.5.2 非晶态材料的微观结构分析方法—H-A指数
• 2.5.3 非晶态材料的微观结构分析方法—Voronoi指数
• 第三章 IVA-V和IVB-V族化合物的电子结构和光学性质的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 IVA族磷化物的电子结构和光学性质
• 3.4 IVB族氮化物的电子结构和光学性质
• 3.5 小结
• 第四章 相变存储材料GST的电子结构和光学性质的理论和实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 实验细节
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 结构性质和电子结构
• 4.3.2 光学性质
• 4.4 小结
• 第五章 铜铝二元液态合金的短程有序结构
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 理论模型
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 结构因子和对关联函数
• 5.3.2 动力学性质
• 5.3.3 基于分子动力学模型的微观结构分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢