第一性原理对富勒烯和氮化物的模拟计算研究

论文摘要

材料是社会发展的物质基础和先导，而新材料则是社会进步的里程碑。由C、N两种非金属轻元素构成的新材料被广泛应用于化工、材料、电子、生物等多个领域，如人们熟知的金刚石、富勒烯、氮化镓等。然而，在对这些材料的研究过程中由于实验条件的限制（如高温、高压等），无法对材料的性能进行精确的测量。计算材料科学的出现使得许多在现有条件下无法完成的实验可以通过理论计算的方式来得以实现。计算材料科学主要包括两个方面的内容：一方面是从已有实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算对已有的实验数据进行验证和补充；另一方面是通过理论模型和计算，设计可能具有特殊性能的新材料。基于密度泛函理论的第一性原理方法因其不依赖于经验参数而成为凝聚态物理、量子化学和材料科学中的主要研究手段。本论文首先从计算模拟角度出发，使用密度泛函理论对实验上已经合成的内包金属富勒烯的结构和物性进行了计算。接着从材料设计的角度出发对AlN基稀磁半导体材料和5d过渡金属二氮化物超硬材料进行了理论研究，寻找和设计具有室温居里温度和较高硬度的新型功能材料。研究涉及的内容包括几何构型、电子结构、磁学性能和力学性能等。采用原子轨道数值基组对实验上已经合成但仍未对其结构和性能进行精确分析的三种富勒烯团簇(Po@C60，La@C72和Eu@C72)进行了理论研究。探讨了内包金属在碳笼中的可能位置，Po原子位于碳笼中心，而La和Eu原子均偏离碳笼中心，靠近C72笼五元环-五元环连接处。通过对电荷密度、自旋密度及前沿轨道等性能的分析，得出Po原子与碳笼之间没有发生电荷转移且与碳笼之间不成键，而La原子与碳笼之间的化学键类型为离子键，Eu原子与碳笼之间的化学键为离子键和共价键共存的形式。采用第一性原理计算，以AlN为基体，研究N空位和Al空位两种点缺陷以及Mg、Cu、Zn、Pd四种非磁性离子p型掺杂后对AlN电子结构、磁性的影响，分析磁矩大小及来源。计算结果表明Al空位可以使AlN产生半金属铁磁性，磁矩来源主要来自于空位周围的四个N原子的p轨道。四种非磁性离子掺杂后的体系均具有半金属铁磁性，但磁矩大小和来源有所不同。Al15MgN16和Al15ZnN16的磁矩均为1．0μB，主要来源于Mg或Zn周围的四个N原子的p轨道电子，而Al15CuN16和Al15PdN16的磁矩均为2．0μB，主要来源于Cu或Pd的d轨道电子与N原子的p轨道电子发生的杂化作用。四种体系均会表现出稳定的铁磁状态，它们的居里温度关系为Al15CuN16>Al15PdN16>Al15MgN16>Al15ZnN16，且都大于350K，具有良好的室温铁磁性，有可能成为稀磁半导体的候选材料。采用第一性原理平面波赝势方法系统地对5d过渡金属二氮化物的五种不同晶体结构进行了理论计算。共对8种化合物（HfN2、TaN2、WN2、ReN2、OsN2、IrN2、PtN2、AuN2）的40种构型进行了结构优化和性能计算。通过对形成热及弹性常数的计算得到：对于黄铁矿结构既满足热力学稳定标准又满足机械稳定性标准的二氮化物为HfN2、WN2和PtN2。对于萤石结构符合上述两个标准的二氮化物为ReN2。对于金红石结构符合上述两个标准的二氮化物为TaN2、WN2、ReN2和OsN2。对于白铁矿符合上述两个标准的二氮化物为HfN2、TaN2、WN2、OsN2、IrN2和PtN2。对于含砷黄铁矿结构，除WN2和AuN2外，均满足上述两个标准。弹性常数的变化趋势表明，从HfN2开始，随着过渡金属氮化物原胞中的价电子数增加，越来越多的成键态被价电子占据，使得化合物中原子间的束缚增加，导致体弹性模量增加。到达OsN2时，成键态趋于添满，原子间的束缚趋于最强。随着价电子的继续增加，电子将填充反键态，价电子越多，反键态占据得越多。这将削弱化合物中原子间的束缚，导致体弹性模量降低。DOS及PDOS的计算结果表明过渡金属的5d轨道与N原子的2p轨道之间存在强烈的杂化现象，形成了较强的共价键。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 富勒烯概述
• 1.1.1 富勒烯的发现
• 1.1.2 掺杂富勒烯及其衍生物
• 1.1.3 富勒烯及其衍生物的应用
• 1.1.4 富勒烯的理论研究
• 1.2 氮化物概述
• 1.2.1 氮化物分类
• 1.2.2 氮化物的应用
• 1.2.3 氮化物的理论研究
• 1.3 本课题选题目的及主要内容
• 参考文献
• 第二章 密度泛函理论基础及相关软件介绍
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.3 Kohn-Sham方法
• 2.1.4 交换相关泛函
• 2.2 常用软件包简介
• 2.3 本课题中所使用的软件包介绍
• 3基本原理与方法'>2.3.1 Dmol³基本原理与方法
• 2.3.2 CASTEP基本原理与方法
• 参考文献
• 第三章 内包金属富勒烯的理论研究
• 3.1 内包金属富勒烯（EMF）概述
• 3.1.1 EMF定义
• 3.1.2 EMF的合成
• 3.1.3 EMF的提取和分离
• 3.1.4 EMF结构表征
• 3.1.5 EMF的应用
• 3.2 内包金属富勒烯的理论研究
• 60'>3.2.1 Po@C₆₀
• 72'>3.2.2 La@C₇₂
• 72'>3.2.3 Eu@C₇₂
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 AlN基稀磁半导体的第一性原理研究
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 稀磁半导体概述
• 4.1.2 稀磁半导体的研究历史
• 4.1.3 稀磁半导体的理论研究
• 4.2 AlN基稀磁半导体的理论研究
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 计算模型
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 AlN晶体结构
• 4.3.2 AlN空位结构
• 4.3.3 M掺杂AlN
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 5d过渡金属二氮化物的结构和力学性能第一性原理研究
• 5.1 研究背景
• 5.1.1 从金刚石谈起
• 2（TM=5d过渡元素）是可能的超硬材料'>5.1.2 TMN₂（TM=5d过渡元素）是可能的超硬材料
• 5.1.3 弹性常数的第一性原理计算
• 5.2 计算方法与计算模型
• 5.2.1 计算方法
• 5.2.2 计算模型
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 黄铁矿结构
• 5.3.2 萤石结构
• 5.3.3 金红石结构
• 5.3.4 白铁矿结构
• 5.3.5 含砷黄铁矿结构
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢