两类三元氮化物TMWN2及A-M-N的第一性原理研究

来源 :燕山大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nathan_zk
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金属氮化物具有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗氧化以及良好的导电导热性等优异的物理和化学性能,在光学、电子学和磁学等领域,引起了人们的广泛关注。本文主要研究了TMWN2和A-M-N三元金属氮化物的晶体结构、弹性性质和电子结构。采用第一性原理计算对TMWN2(TM=Cr、Mn、Fe和Co)进行了电子结构、弹性性质和磁性的研究。首先,Cr/Fe/Co WN2的基本结构单元是TMN6八面体和WN6三棱柱,Mn WN2的基本结构单元是Mn N4四面体和WN6八面体,TMN6八面体/Mn N4四面体和WN6三棱柱/八面体沿c轴交叉堆垛形成了TMWN2;其次,电荷局域函数图、晶体轨道哈密顿布居数和Bader电荷的计算结果表明,TM-N和W-N键都是由共价键和离子键相互作用形成的。然后,通过TMWN2的杨氏模量三维图分析,发现TMWN2都具有各向异性,其中,Co WN2的各向异性是最强的。最后,在使用GGA计算时,其能带结果表明,TMWN2呈金属性;而使用GGA+U计算时,除了Mn WN2依旧保持金属性能外,Cr/Fe/Co WN2随着U值的增大,显现出了半导体特征。基于密度泛函理论,对A-M-N(A=Zn、Mg;M=Sb、Mo、W、Nb、Ti、Zr、Hf)结构进行了第一性原理计算,系统的研究了该体系的电子性能和力学性能。其中,Zn-M-N(M=Sb、Mo、W)是纤锌矿结构,Mg-M-N(M=Nb、Ti、Zr、Hf)是岩盐矿结构。在Zn-M-N结构中,基本的结构单元是Zn N4四面体和MN4四面体,在Mg-M-N结构中,基本的结构单元是Mg N6八面体和MN6八面体。能带结构计算表明A-M-N均为半导体,其中Zn2Sb N3、Mg Zr N2和Mg Hf N2是直接带隙半导体,Zn3Mo N4、Zn3WN4、Mg2Nb N3和Mg Ti N2是间接带隙半导体。Zn3Mo N4、Zn3WN4的带隙比较大,分别为2.95 e V,3.65 e V,其余结构的带隙值几乎都在0.9~1.7 e V之间。通过对杨氏模量三维图的分析,表明A-M-N均具有各向异性,其中,Mg2Nb N3的各向异性最强。通过电荷局域函数图、晶体轨道哈密顿布居数和Bader电荷的计算说明,M-N键的共价相互作用很强,对结构的稳定性起着十分重要的作用。
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