高压下ReB2物性的第一性原理计算

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近几年超硬物质一直是人们关注的热点,因为超硬材料的用途非常广泛,无论是钻探石油和修公路用的钻头,还是精密仪器和手表表面的抗磨涂层,都需要使用超硬材料。但是,几乎所有的超硬材料,如金刚石、立方结构的氮化硼等等,它们都是在昂贵的高压条件下制造出来的,其价格非常的贵。后来加州大学的科学家开发出一种制造超硬材料的新方法合成了超硬物质硼化铼。这种材料只需要通过一种简单的程序就可以制造出来,不需要使用压力。合成出的硼化铼具有短共价键,且铼金属中铼原子的分割距离仅扩大5%,从而使其既具有“不可压缩性”,又非常坚硬。在某个方向上,硼化铼的“不可压缩性”与金刚石相同,在另一个方向上,硼化铼的“可压缩性”仅比金刚石稍高。在低作用力下,硼化铼的硬度与立方结构的氮化硼相等。在更高的作用力下,硼化铼的硬度仅比氮化硼稍低。硼化铼是一种新型超硬材料,它的研究和发展,与其他材料相比,无论是开发,还是理论研究都不是很深入和成熟,大规模应用也受到限制,所以它还不可能在短时间内取代金刚石。我们可以预言,在不久的将来,它的应用必定有长足的发展。但是目前在高压下的一些基本问题(包括其几何结构、电子结构及成键的机制等)还未获得解决。本文对其的主要研究分为三个部分:首先,利用平面波赝势密度泛函理论计算了硼化铼的基本性质参数,包括晶格常数a和c、体弹模量B0、体弹模量对压强的一阶导数B0′,这些参数值分别为2.9135(?)、7.4932(?)、339 GPa、4.10,我们还计算了五个独立的弹性常数C11、C12、C13、C33、C44。我们计算的结果与其他理论值相符得比较好。由弹性常数,我们推导出在零压、温度300 K时的德拜温度为712.70 K,这个结果与我们通过准谐德拜模型计算出的结果ΘD= 716K理论上比较接近。其次,我们通过准谐德拜模型(Quasi-harmonic Debye Model)研究了硼化铼热力学性质,给出了不同压强和不同温度下的热容和德拜温度的计算值,发现热容随着压强增加而减小,德拜温度随压强增加而增加。我们还拟合了不同压强(0 GPa、30 GPa、60 GPa)下热容和温度的关系,当温度低于1500 K时,热容随温度的增加而增加,但当温度高于1500 K时,热容几乎接近所有固体在高温条件下所要遵循的Dulong-Petit值,即9NA kB (≈74.83 J mol-1 K-1)。最后,我们计算了硼化铼的能带结构、态密度。通过对能带结构和电子态密度分析,从理论上验证了硼化铼的金属特性。我们还通过能带理论,利用CASTEP软件包,讨论了硼化铼在不同压强下的总体态密度、分态密度。我们注意到各部分态密度的相对强度都是随着压强的增加略有减小。而且,随着压强的逐渐增大,处于价带与导带部分的态密度都是向高能方向漂移,导带和价带宽度略有增加。另外,我们还计算了电荷转移、键长、布局数。我们发现随着压强的增大电荷转移增大,键长减小,电子云布局数也有所变化。这说明在我们所考虑的压强范围内硼化铼的电子结构和导电性并没有受到很大影响,这样也验证了在一定的高温高压下硼化铼保持良好的导电性。
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