过渡金属二硼化物(0001)表面稳定性的第一性原理研究

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硼及其硼化合物在现代工业中广泛应用于国民经济各部门。硼化合物大多耐高温、耐磨,其中许多化合物具有独特的物理化学性质。随着超导临界转变温度(Tc)39K的二硼化镁(MgB2)的发现,引起了物理学界对硼化物的极大关注。其中A1B2型金属二硼化物因为具有良好的物理化学性质,如高硬度、高熔点、高抗氧化能力、半金属性、优良的导电性等特点而被广泛研究。特别是在2010年石墨稀的研究获得了诺贝尔物理奖以后,人们对类石墨烯的硼片也产生了兴趣。但是由于硼原子sp2轨道上缺少一个电子不易形成类石墨烯的单层硼片结构,因此转而研究一些硼化物的块材和表面性质。本文利用第一性原理计算方法研究二硼化物块材及(0001)表面,计算并讨论了(0001)表面的几何结构和电子性质。所有计算采用广义梯度近似下的平面波超软赝势方法,通过计算晶胞总能量并进行几何优化,得到基态平衡模型,并以此模型为基础对晶体(0001)表面原子几何弛豫、能带结构、态密度、分态密度、电子布居、差分电子密度、表面能进行计算分析,主要研究内容及结果如下:(1)优化后的结构基础上计算并分析了理想二硼化物晶体的能带结构和态密度。通过对能带结构和态密度的分析,理想MB2晶体的能带结构在费米面处均无带隙,其块材性质表现出良好的金属性,即良好的导电性质。由态密度分析得到这几种二硼化物的化学稳定性的情况,MB2(M=Sc, Y, V, Nb, Cr, Mo)这几种化合物中,NbB2的Wocc/Wb值最接近1,所以NbB2具有最高的化学稳定性。(2)对一MB2(M=Sc, Y, V, Nb, Cr, Mo)(0001)表面的第一性原理计算结果表明:首先,对于表面结构充分弛豫后,表面电子只有重新分配才能达到更稳定的结构。MB2(0001)表面弛豫的变化程度不同,但是弛豫现象都主要集中在上面三层原子,当原子层数达到7层后弛豫程度趋于收敛。其次,根据表面能判据,Ⅲ族金属二硼化物表面金属终端表面更为稳定;V族金属二硼化物表面硼终端表面更稳定;Ⅵ族金属二硼化物表面在硼化学势的更大的范围上硼终端表面稳定,从Ⅲ族金属到Ⅵ族金属二硼化物表面硼终端表面稳定所占百分比越来越大。关键词:过渡金属二硼化物:第一性原理;(0001)表面;表面稳定性;几何结构;电子结构
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