基于碳及硼氮新型材料的结构设计及性能 研究-理论物理专业论文.docxVIP

摘要 摘要 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：  日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。必威体育官网网址论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 日期： 年 月 日 摘要 碳是元素周期表中的第六号元素，因为碳原子之间能形成 sp、sp2、sp3 杂化 键，所以它可以形成许许多多的同素异形体。各种各样的碳材料在科学研究和 人们的生活生产中发挥着重大的作用。而在形形色色的碳材料中金属碳具有更 多独特而又吸引人的性质。但是，到目前为止，人们在发现和合成稳定的三维 金属碳材料方面还没有取得太大的进展。这里，我们通过第一性原理计算，发 现了一种稳定的新型三维金属碳结构，其结构中碳碳键的杂化类型为 sp2 和 sp3 杂化。因为这种稳定的三维金属碳结构由包含 18 个碳原子的六方原胞构成，所 以我们将其命名为 H18 carbon。我们通过第一性原理计算验证了这种新型金属碳 的稳定性，建立了它与实验的联系，也探究了其金属性的来源。随后我们又计 算研究了 Rh6-BN 和 H18-BN 的结构和电子等方面的性质，它们是 Rh6 carbon 和 H18 carbon 的等电子体结构。本文的内容主要包含两大部分，其主要内容和结果 如下： 本文的第一个部分计算研究了一种三维金属碳 H18 carbon 的结构特点和性 质。计算和分析了 H18 carbon 的总能量随体积的变化、声子谱和弹性常数，也对 其在不同的温度下进行了分子动力学模拟，所有的结果都表明 H18 carbon 的结构 是稳定的。通过模拟的 H18 carbon 和其他一些碳的同素异形体的 XRD 图与最近 的一个爆炸实验中产生的碳灰的 XRD 图的比较，发现 H18 carbon 可能是碳灰中 未被确定的碳结构之一。我们也模拟和比较了 H18 carbon 和其他一些碳的同素异 形体的拉曼谱，提供了更多关于 H18 carbon 的结构方面的信息。我们使用 PBE 和杂化泛函（HSE06）两种不同的方法计算得到的 H18 carbon 的能带图都表明 H18 carbon 具有金属性质。为了探究 H18 carbon 的金属性的来源，我们计算了 H18 carbon 的分波态密度和费米能级上下 0.5eV 能量范围的电荷密度分布。结果发现 H18 carbon 的金属性主要来自 sp2 杂化的碳原子的 py 轨道。与以前人们所提出的 三维金属碳的同素异形体不同，H18 carbon 不但能在常压下保持其金属性还能在 高温下保持它结构的稳定性。这种新奇的三维金属碳材料将来有望应用于电子 和机械器件之中。 本文的第二个部分研究了与 Rh6 carbon 和 H18 carbon 相对应的等电子体氮 I 化硼化合物：Rh6-BN 和 H18-BN。通过分析 Rh6-BN 和 H18-BN 的总能量与体积 的关系、声子谱和弹性常数，我们确定了它们的稳定性。我们模拟的 Rh6-BN 和 H18-BN 的 X 射线衍射谱也给出了 Rh6-BN 和 H18-BN 的一些结构特点，这有助 于我们在将来可能的实验上对它们进行确认。我们所计算的 Rh6-BN 和 H18-BN 的能带结构表明 Rh6-BN 是有一个大小为 4.48eV 的间接带隙的绝缘体，而 H18-BN 是有着一个大小为 2.31eV 的间接带隙的半导体。我们的这些研究结果增 强了人们对氮化硼化合物的认识和理解，也会激发更多的此方面的研究。 关键词：金属碳；弹性常数；声子；分子动力学模拟；XRD；拉曼谱；氮化硼 II Abs Abstract Abstract Carbon, the sixth element in the periodic stable of elements, can form a variety of structural allotropes due to its ability