【摘 要】
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设计出具有与金刚石硬度相当的新材料是一个巨大的挑战。众所周知,在紧密堆积的过渡金属(TMS)晶格中引入较小的原子(如C,N,O)会引起化合物相对于原金属的强度、耐久性、电子和磁性能等性能发生较大的变化。本文利用晶体结构搜索技术并结合密度泛函理论,研究了在0-100 GPa的压力范围内,Ir-N化合物不同化学配比的相变序列,首次提出了二元Ir-N化合物的结构相图。本文预测出了三个稳定的高压结构分别为
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设计出具有与金刚石硬度相当的新材料是一个巨大的挑战。众所周知,在紧密堆积的过渡金属(TMS)晶格中引入较小的原子(如C,N,O)会引起化合物相对于原金属的强度、耐久性、电子和磁性能等性能发生较大的变化。本文利用晶体结构搜索技术并结合密度泛函理论,研究了在0-100 GPa的压力范围内,Ir-N化合物不同化学配比的相变序列,首次提出了二元Ir-N化合物的结构相图。本文预测出了三个稳定的高压结构分别为:空间群为P21/c的IrN2,空间群为Im3的IrN3和空间群为R-3c的IrN4,通过计算IrN2-P21/c,IrN3-Im3和IrN4-R-3c结构的形成焓均为负值,表明三个高压结构满足热力学稳定性;声子色散关系显示在整个布里渊区范围内没有出现声子软化的虚频现象,证明这三个高压结构符合动力学稳定性。根据波恩-卡曼稳定条件,可以判断三个高压结构满足力学稳定性。为了了解Ir和N之间的电子性质和化学键性质,研究了 IrN2-P21/c,IrN3-Im3和IrN4-R-3c的电子能带结构和态密度(DOS)。电子能带和态密度图显示IrN2-P21/c的带隙为0.297 eV,IrN4-R-3c的带隙为0.660 eV,表明这两个高压晶体结构都具有非金属性,属于半导体结构,IrN3-Im3的导带和价带在费米面附近发生叠加,表现为金属性质,但是通过HSE对电子能带进行修正后,导带与价带被打开,产生一条约为0.536 eV的带隙,因此IrN3-Im3属于半导体结构。在费米面附近,主要是由Ir原子的d轨道和N原子的p轨道贡献,在价带深处主要是由N原子的s轨道和p轨道贡献。电子局域函数和Bader电荷转移表明,共价键和离子键共同存在于这三个晶体结构中。通过对弹性性质的研究,IrN2-P21/c,IrN3-Im3和IrN4-R-3c具有较高的体弹模量,分别为 319.6 GPa,200.3 GPa 和 271.9 GPa,但是 IrN2-P21/c,IrN3-Im3和IrN4-R-3c的维氏硬度相对来说较低,分别为22.3 GPa,20.3 GPa和22.2 GPa,由于维氏硬度小于40 GPa,因此这些结构不属于超硬材料,是一个较硬的硬材料。通过对Ir-N体系化合物系统的研究发现,在高压下稳定存在的Ir-N化合物具有丰富的性质,说明过渡金属化合物具有优异的物理性质,这为今后过渡族金属化合物的研究起到了很好的参考及指导作用。
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