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碳基和類碳超硬材料的第一性原理研究

作者：蔣雪
出版社：大連理工大學(xué)出版社出版時間：2018-07-01
開本： 其它 頁數(shù)： 233
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碳基和類碳超硬材料的第一性原理研究 版權(quán)信息

碳基和類碳超硬材料的第一性原理研究 本書特色

超硬材料是指硬度可與金剛石相比擬的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼與金剛石，還有許多新型超硬材料正在研發(fā)中，如碳化硼、孿晶金剛石以及一系列化合物。計算材料科學(xué)作為一門新興學(xué)科，在設(shè)計和預(yù)言超硬材料中起到了越來越重要的作用。
　　本書以碳基和類碳超硬材料為例，系統(tǒng)綜述了如何應(yīng)用計算材料科學(xué)來設(shè)計超硬材料。
　　B-C-N-O近三元相圖中存在著豐富的結(jié)構(gòu)，它們的維度、尺寸、組分、密度和鍵的雜化形式對包括硬度在內(nèi)的材料力學(xué)性能至關(guān)重要，對它們的深入研究有助于人們對超硬材料硬度起源的理解，并為合理地設(shè)計和預(yù)言潛在的、滿足工業(yè)苛刻要求的超硬材料提供了可靠的依據(jù)。為了探討這些條件與力學(xué)性能的關(guān)系，本書介紹了從第1性原理彈性模量到硬度的估算公式，并系統(tǒng)闡述了從自組裝石墨烯聚合物，到類碳晶體P-BN新相和富硼的AlMgB14，再到非晶體系的玻璃碳（GC）、，和B-C-N三元非晶，后到低維度的納米金剛石、金剛石納米線及新的二維層狀碳同素異形體不同輕質(zhì)的碳基和類碳材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及電子結(jié)構(gòu)。超硬材料是指硬度可與金剛石相比擬的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼與金剛石，還有許多新型超硬材料正在研發(fā)中，如碳化硼、孿晶金剛石以及一系列化合物。計算材料科學(xué)作為一門新興學(xué)科，在設(shè)計和預(yù)言超硬材料中起到了越來越重要的作用。
　　本書以碳基和類碳超硬材料為例，系統(tǒng)綜述了如何應(yīng)用計算材料科學(xué)來設(shè)計超硬材料。
　　B-C-N-O近三元相圖中存在著豐富的結(jié)構(gòu)，它們的維度、尺寸、組分、密度和鍵的雜化形式對包括硬度在內(nèi)的材料力學(xué)性能至關(guān)重要，對它們的深入研究有助于人們對超硬材料硬度起源的理解，并為合理地設(shè)計和預(yù)言潛在的、滿足工業(yè)苛刻要求的超硬材料提供了可靠的依據(jù)。為了探討這些條件與力學(xué)性能的關(guān)系，本書介紹了從第1性原理彈性模量到硬度的估算公式，并系統(tǒng)闡述了從自組裝石墨烯聚合物，到類碳晶體P-BN新相和富硼的AlMgB14，再到非晶體系的玻璃碳（GC）、，和B-C-N三元非晶，后到低維度的納米金剛石、金剛石納米線及新的二維層狀碳同素異形體不同輕質(zhì)的碳基和類碳材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及電子結(jié)構(gòu)。
　　對于理想材料，硬度和原子間距離、近鄰原子數(shù)、成鍵形式、各向異性及晶體的刻壓方向密切相關(guān)。在理論上，基于第～性原理的密度泛函理論（DFT）計算可以獲得材料的晶格常數(shù)、成鍵以及彈性模量。通常情況下，這些結(jié)果能夠很好地重復(fù)實驗值。但是，標(biāo)準(zhǔn)的DFT計算目前還無法直接預(yù)測出固體的顯微硬度。因此，利用DFT計算輸出的模量或簡單的原子結(jié)構(gòu)參數(shù)估算硬度對于理解和從理論角度預(yù)測超硬材料至關(guān)重要。在第2章中，我們統(tǒng)計了常見共價晶體化合物的彈性模量與維氏硬度的實驗值，并分別擬合了維氏硬度（HV）與體彈性模量（B）、剪切模量（G）和楊氏模量（E）的關(guān)系。利用第1性原理計算和上述E-HV、G-HV關(guān)系，估算了目前被普遍認(rèn)可的幾種超硬材料的維氏硬度。我們擬合的經(jīng)驗G-HV和E-HV線建立了從第1性原理的彈性常數(shù)到材料微觀硬度之間的橋梁。
　　在第3章中，我們自組裝了兩類空隙尺寸、手性和成鍵比率可調(diào)節(jié)的，大比表面積的三維共價石墨烯聚合體，通過第1性原理計算證明它們擁有良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的電子和力學(xué)性能。與二維石墨烯片層和三維石墨相比，本章提出的三維石墨烯聚合物表現(xiàn)出高的楊氏模量和理想強度以及可調(diào)節(jié)的電子能帶結(jié)構(gòu)，并由此提出了許多潛在的應(yīng)用，如半導(dǎo)體器件、能量存儲、分子篩、環(huán)境和生物領(lǐng)域等。除了高密度的ZGM-12，zigzag系列的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還具有負(fù)的線性壓縮率。也就是說，當(dāng)體積壓縮時，這些材料沿某個方向的晶格常數(shù)會發(fā)生膨脹，這主要是由于它們高的各向異性結(jié)構(gòu)以及特殊的酒架型通道排布。這種負(fù)的壓縮率材料在全碳體系中被發(fā)現(xiàn)，并期待在壓力敏感器件、無線電通信以及光學(xué)材料方向有廣泛應(yīng)用。
　　通過第1性原理計算，第4章預(yù)言了一個新的正交BN相（P-BN，空間群為Pmn21）。它的理論硬度和體彈性模量分別為60.5GPa和403GPa.是h-BN和w-BN之間可能的超硬亞穩(wěn)相。而對于三元硼化物AIMgB14材料，我們從理論和實驗上探討了影響硬度的因素，并解釋了硬度的來源。實驗上通過納米壓痕表征所制備的薄膜樣品發(fā)現(xiàn)，沿Al-Mg等含量線，Al-Mg-B材料的硬度隨B含量的增加而增加（13～32GPa）。其中AIMgB14附近成分點的硬度達(dá)到25～32GPa。同時，采用第1性原理計算，我們得到AlMgB14晶體的維氏硬度為27.6GPa，與實驗值接近。通過電子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)它們共同具有的B12二十面體骨架是決定硬度的主要因素。Al、Mg等金屬元素主要通過向B12的電荷轉(zhuǎn)移對材料硬度進(jìn)行微調(diào)。這種材料在工具、模具、微機械及航空航天關(guān)鍵零部件制造等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

碳基和類碳超硬材料的第一性原理研究 內(nèi)容簡介

超硬材料是指硬度可與金剛石相比擬的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼與金剛石，還有許多新型超硬材料正在研發(fā)中，如碳化硼、孿晶金剛石以及一系列化合物。計算材料科學(xué)作為一門新興學(xué)科，在設(shè)計和預(yù)言超硬材料中起到了越來越重要的作用。 本書以碳基和類碳超硬材料為例，系統(tǒng)綜述了如何應(yīng)用計算材料科學(xué)來設(shè)計超硬材料。 B-C-N-O近三元相圖中存在著豐富的結(jié)構(gòu)，它們的維度、尺寸、組分、密度和鍵的雜化形式對包括硬度在內(nèi)的材料力學(xué)性能至關(guān)重要，對它們的深入研究有助于人們對超硬材料硬度起源的理解，并為合理地設(shè)計和預(yù)言潛在的、滿足工業(yè)苛刻要求的超硬材料提供了可靠的依據(jù)。為了探討這些條件與力學(xué)性能的關(guān)系，本書介紹了從第1性原理彈性模量到硬度的估算公式，并系統(tǒng)闡述了從自組裝石墨烯聚合物，到類碳晶體P-BN新相和富硼的AlMgB14，再到非晶體系的玻璃碳（GC）、CN，和B-C-N三元非晶，*后到低維度的納米金剛石、金剛石納米線及新的二維層狀碳同素異形體不同輕質(zhì)的碳基和類碳材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及電子結(jié)構(gòu)。 對于理想材料，硬度和原子間距離、*近鄰原子數(shù)、成鍵形式、各向異性及晶體的刻壓方向密切相關(guān)。在理論上，基于第～性原理的密度泛函理論（DFT）計算可以獲得材料的晶格常數(shù)、成鍵以及彈性模量。通常情況下，這些結(jié)果能夠很好地重復(fù)實驗值。但是，標(biāo)準(zhǔn)的DFT計算目前還無法直接預(yù)測出固體的顯微硬度。因此，利用DFT計算輸出的模量或簡單的原子結(jié)構(gòu)參數(shù)估算硬度對于理解和從理論角度預(yù)測超硬材料至關(guān)重要。在第2章中，我們統(tǒng)計了常見共價晶體化合物的彈性模量與維氏硬度的實驗值，并分別擬合了維氏硬度（HV）與體彈性模量（B）、剪切模量（G）和楊氏模量（E）的關(guān)系。利用第1性原理計算和上述E-HV、G-HV關(guān)系，估算了目前被普遍認(rèn)可的幾種超硬材料的維氏硬度。我們擬合的經(jīng)驗G-HV和E-HV線性關(guān)系建立了從第1性原理的彈性常數(shù)到材料微觀硬度之間的橋梁。 在第3章中，我們自組裝了兩類空隙尺寸、手性和成鍵比率可調(diào)節(jié)的，大比表面積的三維共價石墨烯聚合體，通過第1性原理計算證明它們擁有良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的電子和力學(xué)性能。與二維石墨烯片層和三維石墨相比，本章提出的三維石墨烯聚合物表現(xiàn)出高的楊氏模量和理想強度以及可調(diào)節(jié)的電子能帶結(jié)構(gòu)，并由此提出了許多潛在的應(yīng)用，如半導(dǎo)體器件、能量存儲、分子篩、環(huán)境和生物領(lǐng)域等。除了高密度的ZGM-12，zigzag系列的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還具有負(fù)的線性壓縮率。也就是說，當(dāng)體積壓縮時，這些材料沿某個方向的晶格常數(shù)會發(fā)生膨脹，這主要是由于它們高的各向異性結(jié)構(gòu)以及特殊的酒架型通道排布。這種負(fù)的壓縮率材料首次在全碳體系中被發(fā)現(xiàn)，并期待在壓力敏感器件、無線電通信以及光學(xué)材料方向有廣泛應(yīng)用。 通過第1性原理計算，第4章預(yù)言了一個新的正交BN相（P-BN，空間群為Pmn21）。它的理論硬度和體彈性模量分別為60.5GPa和403GPa.是h-BN和w-BN之間可能的超硬亞穩(wěn)相。而對于三元硼化物AIMgB14材料，我們從理論和實驗上探討了影響硬度的因素，并解釋了硬度的來源。實驗上通過納米壓痕表征所制備的薄膜樣品發(fā)現(xiàn)，沿Al-Mg等含量線，Al-Mg-B材料的硬度隨B含量的增加而增加（13～32GPa）。其中AIMgB14附近成分點的硬度達(dá)到25～32GPa。同時，采用第1性原理計算，我們得到AlMgB14晶體的維氏硬度為27.6GPa，與實驗值接近。通過電子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)它們共同具有的B12二十面體骨架是決定硬度的主要因素。Al、Mg等金屬元素主要通過向B12的電荷轉(zhuǎn)移對材料硬度進(jìn)行微調(diào)。這種材料在工具、模具、微機械及航空航天關(guān)鍵零部件制造等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

碳基和類碳超硬材料的第一性原理研究 目錄

1 超硬材料 1.1 超硬材料的現(xiàn)狀 1.2 B、C、N、O元素組成的超硬材料 1.3 碳基超硬材料 1.3.1 金剛石 1.3.2 非晶碳 1.3.3 富勒烯和碳納米管 1.4 類碳超硬材料 1.4.1 二元B_N體系：c—BN和B13N2 1.4.2 二元B_C體系：B4C和c—BC5 1.4.3 二元B—O體系：B60 1.4.4 二元C—N體系：C3N4 1.4.5 三元B—C—N體系 2 計算方法 2.1 密度泛函理論 2.2 固體彈性的計算方法 2.2.1 彈性常數(shù)的計算方法 2.2.2 彈性模量的計算方法 2.3 硬度的計算方法 2.3.1 研究背景 2.3.2 模量與硬度之間的線性關(guān)系 2.4 相關(guān)軟件包簡介 3 碳材料新相：可調(diào)的sp3連接石墨烯自組裝聚合體 3.1 結(jié)構(gòu)模型和計算方法 3.2 結(jié)果和討論 3.2.1 結(jié)構(gòu)性能 3.2.2 熱力學(xué)穩(wěn)定性 3.2.3 電子結(jié)構(gòu) 3.2.4 力學(xué)性能 3.2.5 全碳負(fù)線性壓縮率材料 4 類碳晶體P—BN和AIMgB12 4.1 實驗和計算方法 4.2 新型超硬BN同素異形體：P—BN 4.2.1 P—BN的結(jié)構(gòu)參數(shù) 4.2.2 P—BN結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 4.2.3 P—BN的力學(xué)性能和硬度 4.3 三元超硬硼化物的實驗制備與理論研究 4.3.1 實驗結(jié)果和分析 4.3.2 **性原理計算 5 碳和類碳非晶相 5.1 計算方法 5.2 高壓下的玻璃碳 5.2.1 玻璃碳的定義 5.2.2 碳在高壓下成鍵類型的轉(zhuǎn)化 5.2.3 碳的新相R3碳 5.2.4 測試計算 5.2.5 玻璃碳在壓力下結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的轉(zhuǎn)變 5.2.6 從R3碳到非晶碳的相變 5.3 低密度碳氮非晶結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬 5.3.1 CN非晶構(gòu)型 5.3.2 CN非晶的力學(xué)性能 5.4 三元B—C—N非晶的形成能力與力學(xué)性能 5.4.1 三元B—C—N非晶的形成能力 5.4.2 三元B—C—N非晶的力學(xué)性能 6 低維碳納米材料：納米金剛石、金剛石納米線、石墨烯同素異形體 6.1 計算方法 6.2 單軸壓縮下氫鈍化的零維納米金剛石的電子性能 6.3 一維金剛石納米線 6.4 二維(4，8)石墨烯同素異形體 參考文獻(xiàn) 附錄 附錄A 不同晶系的彈性模量矩陣 附錄B 力學(xué)穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)
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