Be基超硬材料的第一性原理研究

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超硬材料在工业上有很多应用,比如切割抛光工具,表面涂层等等。这些年来,虽然对于超硬材料方面有很多实验和理论上的研究,但是金刚石仍然是所有材料中硬度最大的。Be具有很大的价电子密度,与其他轻元素之间形成的化合物应该可以表现出超硬,但是由于Be有毒,且在合成化合物的过程中可能会用到高压设备,在研究中一直被忽略。第一性原理在材料计算这个领域已经取得了很大的进展,目前大型高速电子计算机的应用,使得此理论研究的优越性越来越突出,CASTEP是Materials Studio的模块之一,它利用密度泛函理论平面波赝势的第一性原理方法来研究材料的性质。本文主要利用CASTEP模块对Be2C,Be2B,Be3N2,BeCN2这四种结构进行计算研究,分析了它们的电子性质和机械性质,并选出其中机械性能最好的BeCN2来做压力下的物性分析,主要得到的结果有:一、在四种化合物中,除了存在金属键的Be2B,其它三种结构都为离子键和共价键共存的价键形式。因为弹性性质和硬度与电子结构有很大的关系,所以共价键最强的BeCN2体积模量(304 GPa)和硬度(50 GPa)最大。二、对BeCN2这种结构作了压力下的物性分析发现,外加压强会使整个结构体积下降、总能量升高、电子出现强的非局域性和发生更多的价键重叠和轨道杂化现象。利用弹性模量推导热力学量得到:在未加载外压的情况下,德拜温度值为1408 K,在加载外压的情况下,德拜温度大小随压强的增加而增大。
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