【摘 要】
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由于过渡金属二硼化物（TMB2）具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、高导热性、低电阻率以及质轻等无与伦比的特性,并且在国民经济和国防事业中发挥着重要作用,因此发掘TMB2材料新的微观结构和性能就成为科学界和产业界共同追求的目标。本论文综合利用了多种理论计算方法,研究了TMB2新结构与相变机制的问题以及这些新结构的电学和力学性质;在实验部分,利用高温高压实验技术,主要研究了ZrB2及La掺杂和高温高压
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由于过渡金属二硼化物（TMB2）具有高熔点、高硬度、高化学稳定性、高导热性、低电阻率以及质轻等无与伦比的特性,并且在国民经济和国防事业中发挥着重要作用,因此发掘TMB2材料新的微观结构和性能就成为科学界和产业界共同追求的目标。本论文综合利用了多种理论计算方法,研究了TMB2新结构与相变机制的问题以及这些新结构的电学和力学性质;在实验部分,利用高温高压实验技术,主要研究了ZrB2及La掺杂和高温高压处理后的结构转变行为。研究了TMB2（TM=Zr、Sc、Ti、Nb和Y）的新相结构及形成机制:采用CALYPSO结构搜索软件预测了一种TMB2的tP6新结构。研究结果发现存在一种适合TMB2材料的压致相变新路径,即Al B2型结构到tP6型结构的相转变。相变过程中,高压作用会使类层状Al B2型结构中的原子层出现褶皱,从而导致Al B2型TMB2结构转变为tP6型新结构,该结果将为后续TMB2材料高压相变实验研究提供理论指导。ZrB2新结构的超导性能研究:α-Ti B2和β-Ti B2两种结构类型的ZrB2相在常压下可以亚稳存在;而tP6结构相在超过20 GPa以上高压下才可以亚稳存在,且随环境压强增加持续降低,超过800 GPa后tP6相的能量甚至低于实验已知的Al B2型结构,成为最稳定的ZrB2结构相。超导性能计算表明具有tP6结构的ZrB2相具有超导特性,在20 GPa和600 GPa时的超导转变温度Tc值分别为12.7 K和34.4 K。研究结果表明压力能够增强tP6结构ZrB2相的电声耦合作用从而使其超导转变温度显著提高。ZrB2新结构的成键特性、力学性质、硬度及德拜温度的研究:三种ZrB2新结构的化学键均以共价键为主,包含部分离子键和金属键。新型ZrB2结构相的弹性常数、硬度和德拜温度计算结果表明:α-Ti B2型结构和β-Ti B2型结构属于脆性材料,tP6型结构属于韧性材料,且具有最小的剪切模量和最高的可压缩性。α-Ti B2和β-Ti B2结构相的硬度均为23.8 GPa,而稳定的tP6结构相硬度为17.4 GPa。α-Ti B2型和β-Ti B2型ZrB2结构的德拜温度非常接近,分别为905.1 K和908.6 K,而tP6型ZrB2的德拜温度约为602.6 K。本文研究了ZrB2及La掺杂ZrB2块体材料电阻随压力的变化规律。采用高压下原位测量技术研究了ZrB2在0～30 GPa的压力范围内的变化规律,研究结果表明在22 GPa时,ZrB2的电阻突然增大,表明其产生相变过程,随压力持续增加到30 GPa时,样品的电阻逐渐稳定到一个恒定值;卸压过程中样品的电阻保持不变,表明所产生的相变为不可逆相变。结构分析表明高温高压下La掺杂ZrB2样品中存在未知的新相,新相结构有待于进一步确定。
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