晶體結(jié)構(gòu)論文-硬質(zhì)晶體的化學(xué)鍵晶體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)研究

1、晶體結(jié)構(gòu)論文-硬質(zhì)晶體的化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)研究 【摘要】： 本論文包括兩方面的主要內(nèi)容:一是從化學(xué)鍵合的觀點出發(fā)建立了硬質(zhì)晶體的宏觀力學(xué)性質(zhì)硬度和強度與晶體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系;二是采用第一性原理方法在輕元素與貴金屬及輕元素化合物中預(yù)測了幾種新型亞穩(wěn)材料,尤其是超硬材料。 將晶體的宏觀力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來,不僅可以發(fā)展定量預(yù)測晶體宏觀力學(xué)性質(zhì)的理論方法,而且可以幫助我們從物理本質(zhì)上理解相應(yīng)的宏觀性質(zhì)。將硬度的半經(jīng)驗公式與化學(xué)鍵的布居數(shù)離子性標度相結(jié)合,使完全采用第一性原理可計算的參數(shù)來預(yù)測硬度成為可能。在我組前期工作的基礎(chǔ)上,本文進一步探討了富硼化合物和纖鋅

2、礦結(jié)構(gòu)中布居數(shù)P_c的取值方法和影響化學(xué)鍵離子性的內(nèi)在因素,預(yù)測了B_6O、B_(13)C_2、新型亞穩(wěn)材料BC_2N、纖鋅礦半導(dǎo)體、B_6N、B_6P和B_6As等復(fù)雜晶體的理論硬度,其中B_6O、B_(13)C_2、BC_2N和纖鋅礦半導(dǎo)體的理論硬度與實驗硬度相當吻合。 對于過渡金屬碳化物與氮化物而言,硬度的半經(jīng)驗公式并不適用。通過深入探究該類晶體與金剛石、c-BN等共價晶體化學(xué)鍵性質(zhì)的差異,發(fā)現(xiàn)了影響晶體硬度的另外兩個因素:化學(xué)鍵中很小的金屬性成分使硬度急劇下降的負面影響,以及參與雜化的d價電子使硬度增大的正面影響。經(jīng)修正后,得到了對高共價性晶體普適的硬度表達式。 納米超晶格的硬度異常增

3、高現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注。如何將上述硬度模型拓展到處理超晶格的硬度問題,是不斷完善該硬度模型的一個新目標。將影響超晶格中帶隙寬度的量子限域效應(yīng)引入到超晶格的硬度計算當中,導(dǎo)出了描述超晶格硬度的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。該模型認為:量子限域效應(yīng)的存在使超晶格體系的硬度在小調(diào)制周期時得到大幅提升。 強度是晶體力學(xué)性能的又一個重要指標。強度與硬度都由化學(xué)鍵的鍵強所決定。本論文首先將化學(xué)鍵的鍵強定義為化學(xué)鍵抵抗軸向拉伸變形所能承受的極限拉力,通過引入有效成鍵電子數(shù)這一新概念,建立起了化學(xué)鍵鍵強與鍵長及有效成鍵電子數(shù)的定量關(guān)系。該模型可以描述純共價化學(xué)鍵、極性共價鍵與離子鍵的鍵強,并且可用于估算某些晶體材料沿特定方

4、向的抗拉強度。與共價晶體內(nèi)聚能及離子晶體晶格能比較后發(fā)現(xiàn)該模型給出的鍵強與內(nèi)聚能、晶格能有相同的趨勢。 以5種結(jié)構(gòu)的C_3N_4為初始結(jié)構(gòu),我們構(gòu)建了5種可能的B_4C_3相。采用第一性原理計算方法得到了各B_4C_3相的平衡晶格常數(shù)、內(nèi)聚能以及電子性質(zhì),采用硬度的半經(jīng)驗公式預(yù)測了4種半導(dǎo)體性B_4C_3相的理論硬度,其中,c-B_4C_3與cs-B_4C_3具有與c-BN可比的高硬度。為了確定前人實驗合成的OsC的晶體結(jié)構(gòu),我們構(gòu)建了7種可能的OsC結(jié)構(gòu)。通過總能量計算、穩(wěn)定性判斷、X射線衍射模擬結(jié)果分析及硬度計算,我們認為實驗中合成的OsC應(yīng)具有NiAs結(jié)構(gòu)而不是WC結(jié)構(gòu)。【關(guān)鍵詞】：硬質(zhì)

5、晶體 硬度 強度 超晶格 新型亞穩(wěn)材料 【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2010【作者】：郭曉菊【付費索取全文】Q聯(lián)系Q：138113721 Q聯(lián)系Q:139938848【目錄】： · 摘要4-6· ABSTRACT6-15· 第1章 緒論15-29· 1.1 課題背景15-16· 1.2 共價固體硬度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?6-21· 平均帶隙模型16-18· 布居數(shù)模型18-19· 基準能模型19-20· 電負性模型20-21· 1.3 化學(xué)鍵的離子性標度21-23

6、3; auling 的離子性定義21-22· Coulson 的離子性定義22· hillips 的離子性定義22· 何巨龍的離子性定義22-23· 1.4 超晶格的硬度反?，F(xiàn)象23-25· 超硬超晶格的研究現(xiàn)狀23-24· 超晶格的硬度反常24-25· 1.5 化學(xué)鍵的強度25-28· 共價鍵的鍵強25-27· 離子鍵的鍵強27-28· 1.6 本論文的主要研究內(nèi)容28-29· 第2章 類B_(13)C_2結(jié)構(gòu)富硼固體的化學(xué)鍵與硬度29-40· 2.1 引言29-30

7、83; 2.2 計算方法30· 2.3 類B_(13)C_2 結(jié)構(gòu)富硼固體的第一性原理研究30-35· 晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵30-32· 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果32· B_(12) 二十面體的P_c及B-B 鍵的離子性32-35· 2.4 BYX 晶體的硬度計算35-39· B_(12) 二十面體外化學(xué)鍵的離子性35-36· 類B_(13)C_2 結(jié)構(gòu)富硼固體的硬度36-39· 2.5 本章小結(jié)39-40· 第3章 立方BC_2N 的理論硬度40-47· 3.1 引言40-41· 3.2 計算方法4

8、1· 3.3 第一性原理計算結(jié)果41-46· 3.4 本章小結(jié)46-47· 第4章 纖鋅礦晶體的離子性與硬度研究47-54· 4.1 引言47-48· 4.2 纖鋅礦結(jié)構(gòu)的P_C與離子性的計算48-51· 4.3 硬度計算51-53· 4.4 本章小結(jié)53-54· 第5章 金屬性與 d 價電子對硬度的貢獻54-65· 5.1 引言54-55· 5.2 硬度經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膭?chuàng)建55-61· 化學(xué)鍵組成分析55-56· 簡單晶體硬度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?6-59· 復(fù)雜晶體硬度的經(jīng)驗?zāi)?/p>

9、型59-60· 硬度經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膶嶒烌炞C60-61· 5.3 新型化合物硬度的預(yù)測61-64· -PtN_2 的理論硬度62-63· 5.3.2 m-OsN_2 的理論硬度63-64· 5.4 本章小結(jié)64-65· 第6章 超晶格硬度的反常機理研究65-74· 6.1 引言65-66· 6.2 超晶格硬度增強模型的構(gòu)建66-70· 6.3 其他體系超晶格硬度的理論預(yù)測70-73· 6.4 本章小結(jié)73-74· 第7章 化學(xué)鍵鍵強的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?4-107· 7.1 引言74-75&

10、#183; 7.2 鍵強模型的構(gòu)建75-78· 7.3 其他化學(xué)鍵鍵強的計算78-103· IVA 晶體的鍵強79-83· IIIA-VA 化合物的鍵強83-86· II-VIA 化合物的鍵強86-89· 典型離子晶體的鍵強89-93· B_2 化合物的鍵強93-98· 復(fù)雜配位化合物的鍵強98-101· 納米管及籠形結(jié)構(gòu)的鍵強101-103· 7.4 鍵強與晶體物理、化學(xué)性質(zhì)關(guān)系的探討103-105· 7.5 本章小結(jié)105-107· 第8章 B_4C_3致密相的第一性原理研究107

11、-118· 8.1 引言107-108· 8.2 計算方法108· 8.3 五種B_4C_3 致密相的第一性原理計算108-113· B_4C_3 致密相的晶體結(jié)構(gòu)108-110· 相變壓力計算110-111· B_4C_3 相的電子性能111-113· 8.4 Vickers 硬度的計算113-117· 8.5 本章小結(jié)117-118· 第9章 OsC 的晶體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究118-128· 9.1 引言118· 9.2 OsC 的晶體結(jié)構(gòu)模型118-121· 立方晶系119-120· 六方晶系120-121· 9.3 計算結(jié)果121-127· 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果121-122· 機械穩(wěn)定性的判斷122-124· OsC 的電子性質(zhì)124-126· X 射線衍射的模擬126-127· 9.4 本章小結(jié)127-128· 結(jié)論128-130· 參考文獻130-142