C/B/Si基材料结构、性能的高压实验和第一性原理研究

摘要

随着仪器设备和计算材料学的不断发展，金刚石压腔(DAC)高压实验和第一性原理计算已成为材料研究的重要实验和理论方法。C/B/Si基材料在材料研究、应用领域占有重要的地位：具有卓越物化性能的各种碳材料是众行业内必不可少的基础材料；硼基Si-B体系极有潜力成为极端条件下的热电材料；硅基Al-Mg-Si合金因其良好的成型能力、机械强度、抗腐蚀性等性能，被广泛应用于各工业领域。为探索三类材料的成键表现、微观结构和力学性能，完善对它们结构和性能之间联系的认识，本文采用DAC高压实验和第一性原理，研究了C/B/Si基材料的微观组成、结构稳定性、弹性性能和电子结构。主要结果如下： 对石墨和玻璃碳进行DAC高压实验，通过原位拉曼光谱研究发现：环境条件下两种材料拉曼光谱中的G、2D及D″+D band，随着压力升高均发生了不同程度的色散、峰宽增大等变化。在压力约为44 GPa时，玻璃碳中sp2 C?C键的特征峰G band几乎消失。结合洛伦兹拟合等分析手段，发现在高压条件下两材料中的sp2碳层间距缩短且临层C原子间形成了新键，原子杂化转变为sp3方式。 基于第一性原理，系统考察了常压Si和7种Si的高压相。Si-VI相表现出力学不稳定，该现象与实验观察一致；而所有高压结构均为热力学稳定相。Si-VII相的弹性性能最为突出，具有最大的体弹模量B(272.7 GPa)和剪切模量G(94.61 GPa)，其同时还表现出良好的延展性（Pugh比值为2.88）。从Si-IV和SC16的电子结构中发现了它们的半导潜力（禁带宽度分别为0.537，0.026 eV）。 对 Si-B体系进行了第一性原理研究。所涉及的材料都表现为力学和热力学稳定；Si-B体系的B和G与Si原子百分比的经验关系分别为B=185.4?68.425xSi， G=155.29?108.64xSi；高压相γ-B28的B(216.0 GPa)、G(234.0 GPa)为体系最高值，而SiB4(AU=4.00)是结构各向异性程度最大的物质；除了常压Si，在α-rh B,γ-B28和SiB6的电子结构中得到了分别为1.53、1.58和0.41 eV的间接带隙。 在Al-Mg-Si合金的第一性原理研究中，本文提出了三种新的结构P-1-Mg4Si7， C2/m-MgAl2Si2和Pccn-Mg4AlSi3，较已有结构，这三种物质更有利于结构的稳定。通过线性拟合得到了化合物的B与Mg原子百分比的对应关系B=69.2?20.7xMg。在所有沉积相中，MgSi2和MgAlSi表现出了较高的体弹性能（B分别为73.1和67.7 GPa），这与它们较强的Si-Si/Si-Al共价性网络结构有一定的关系。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1碳材料简介

1.2硅的高压相简介

1.3硅-硼体系简介

1.4铝-镁-硅合金化合物简介

1.5国内外研究现状

1.6本论文的研究目的和主要研究内容

第二章 实验方法与理论基础

2.1实验方法

2.2理论基础

第三章 碳材料的高压拉曼表现

3.1实验方法

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 硅高压相的结构，弹性性能和电子性能

4.1计算方法

4.2结构稳定性

4.3弹性性能

4.4电子性能

4.5本章小结

第五章 硅-硼体系的结构，弹性性能和电子性能

5.1计算方法

5.2结构稳定性

5.3弹性性能

5.4电子性能

5.5本章小结

第六章 铝-镁-硅合金的结构，弹性性能和电子性能

6.1计算方法

6.2结构稳定性

6.3弹性性能

6.4电子性能

6.5本章小结

第七章 结 论

参考文献

科研情况和研究成果

致谢