过渡金属化合物相转变的第一性原理计算

发布时间：2017-10-10 02:35

  本文关键词：过渡金属化合物相转变的第一性原理计算

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【摘要】：过渡金属化合物因其优异的物理化学性质而备受人们关注。对于过渡金属化合物材料研究较多的有两大类,一类是体材料,另一类是二维材料。体材料具有较好的力学性质而被应用于冶金、建筑等工业加工过程中。其中,对于第IVB族过渡金属氮化物,由于它们具有较高的电导率、比较大的声子带隙、较小的介电常数和较高的抗磨擦腐蚀热稳定性而被广泛研究。这些优异的物理化学特性使得它们成为染料敏化太阳能电池、可变换等离子体材料、装饰涂层和LED电子器件等潜在的候选材料。另外,二维过渡金属化合物因其优异的特性也备受关注,具有特殊层状结构的过渡金属二硫族化合物的剥离已成功的在实验上实现。接着对其二维材料的特性展开研究,结构转变、电子、光学特征等研究较多。最后,二维过渡金属硫族材料已经成功的运用到电子、微电子等器件中。本文主要通过基于密度泛函理论的第一性原理分析Hf1-xN薄膜随着氮浓度的变化而引起的电子性质和光学性质的变化,同时分析导致结构变化的原因;并且对典型二维过渡金属硫族碲化物Mo Te2和WTe2的不同相(2H相和1T’相)之间的转变路径进行理论分析,同时研究其转变过程中的动力学能量势垒的变化。我们主要从材料的形成能、电子态密度、电子能带结构和电荷分布等角度分析材料的宏观结构稳定性和电学性质。主要包括以下两部分内容:1.我们利用理论模拟方法研究了Hf1-xN(0≤x≤0.25)薄膜随着氮浓度的变化而引起的结构和电子性质的变化。以岩盐结构Hf N为基础,当金属与氮的比值是1:1时,晶体结构是岩盐结构,当铪与氮的比值为3:4时,实验报道的稳定晶体结构是立方Th3P4相,而我们计算得到的稳定结构是正交相。我们在岩盐结构Hf N的基础上通过构建Hf空位来实现具有不同氮浓度的Hf1-xN的结构的建立。对于富氮相Hf3N4,我们通过构建N空位来实现具有较低N浓度的结构模型。通过计算形成能比较不同结构的稳定性。结果显示具有Hf空位的岩盐结构Hf1-x N(0≤x≤0.25)在很大的浓度范围内都是稳定的,而当化学计量比低于3:4时,具有正交结构和立方结构的Hf1-xN的形成能急剧增加。并且随着化学计量比的变化,其电子结构发生明显的改变,从金属特性变成半导体性质。其电子和光学性质可以通过控制Hf空位的浓度进行调制。对于带有Hf空位的Hf1-xN(0≤x≤0.25),来自于Hf原子自由电子的消失引起了Hf N结构的转变。2.通过第一性原理密度泛函理论探究Mo(W)Te2的2H相和1T’相之间相转变的路径和动力学能量势垒。结果发现,2H相到1T’相的转变是同一平面的金属原子和硫族原子同时移动的结果,期间没有经过中间相1T相,并且其转变能垒较低,每个化学式单元大约0.9e V。两相的相对稳定性和能量势垒还可以通过施加应变来改变。施加应变会使动力学转变能垒降低。除此之外,外加应变引起的相结构的转变还可以实现对电子结构的调制。
【关键词】：过渡金属氮化物 过渡金属硫族化合物 第一性原理 结构相转变
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O641.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 引言10-11
• 1.2 过渡金属化合物体材料的研究现状11-13
• 1.3 过渡金属化合物二维材料的研究现状13-14
• 1.4 选题依据以及研究内容14-16
• 第2章 基础理论和计算软件16-28
• 2.1 计算理论基础16-19
• 2.1.1 薛定谔方程16-17
• 2.1.2 波恩-奥本海默（Born-Oppenheimer）绝热近似17
• 2.1.3 Hartree-Fock的单电子近似17-19
• 2.2 密度泛函理论19-23
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理19-21
• 2.2.2 Kohn-Sham方程21
• 2.2.3 LDA和GGA两种交换关联近似21-23
• 2.3 能带理论基础23-25
• 2.3.1 Bloch定理23-24
• 2.3.2 计算能带近似方法24-25
• 2.4 第一性原理简介及VASP软件包介绍25-28
• 2.4.1 第一性原理介绍25
• 2.4.2 VASP软件包简介25-28
• 第3章 HfN到Hf_3N_4的结构和电子性质的转变28-42
• 3.1 引言28-29
• 3.2 计算方法介绍29
• 3.3 HfN到Hf_3N_4的结构相转变和电子性质的变化29-40
• 3.3.1 HfN到Hf_3N_4的结构相转变29-34
• 3.3.2 HfN到Hf_3N_4电子性质的变化34-40
• 3.4 结论40-42
• 第4章 单层Mo(W)Te_2的相转变和势垒的调制42-62
• 4.1 引言42-43
• 4.2 计算方法介绍43-44
• 4.3 结果和讨论44-59
• 4.3.1 相转变路径和势垒44-49
• 4.3.2 双轴应变条件下的相转变49-51
• 4.3.3 单轴应变条件下的相转变51-55
• 4.3.4 不同相结构的电子性质55-59
• 4.4 结论59-62
• 第5章 结论62-64
• 参考文献64-76
• 作者简介及硕士期间的科研成果76-78
• 致谢78

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本文编号：1003891