【摘 要】
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硅元素及其化合物在现代工业中起着不可或缺的作用,现已经被广泛应用到了各个相关领域中。本文采用原子掺杂的方法,寻找新型的硅同素异形体和硅化物结构,并结合第一性原理计算方法研究了新结构在常压下的力学性质、弹性各向异性、电子结构等性质,同时还分析了能带变化的影响因素,为有效合成该材料提供理论基础,也为其他新材料的理论研究提供支撑。本文研究的主要内容如下:1.对G21、G58、G90、G117、G158、
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硅元素及其化合物在现代工业中起着不可或缺的作用,现已经被广泛应用到了各个相关领域中。本文采用原子掺杂的方法,寻找新型的硅同素异形体和硅化物结构,并结合第一性原理计算方法研究了新结构在常压下的力学性质、弹性各向异性、电子结构等性质,同时还分析了能带变化的影响因素,为有效合成该材料提供理论基础,也为其他新材料的理论研究提供支撑。本文研究的主要内容如下:1.对G21、G58、G90、G117、G158、G164及G223这七种超硬碳材料的物理性质进行研究。这些碳材料的维氏硬度值都大于40 GPa。通过计算弹性常数和声子谱,研究了七种超硬碳材料的力学稳定性和动力学稳定性。体积模量和剪切模量的计算结果表明,这七种超硬碳材料相对于金刚石的抗压缩形变能力较强。B/G比值及泊松比的计算表明这些超硬碳材料表现为脆性。从能带结构结构图中可以看出,七种超硬碳均为直接半导体,且带隙值在2.84 eV～4.36 eV范围之间。2.基于前面对直接带隙超硬碳材料的研究,提出了一种新的硅同素异形体o-Si32,并在常压下对其物理性质进行研究。基于第一性原理计算得到该结构的晶格常数和密度。o-Si32在0 GPa下具有力学稳定性和动力学稳定性。体积模量和剪切模量计算结果表明,o-Si32具有较强的抗压缩形变能力。o-Si32的B/G比值和泊松比计算表明该结构具有较强的延展性。为了更好地研究o-Si32的电子结构,分别用PBE泛函和HSE06泛函计算了该结构的能带结构,其带隙值分别为0.682 eV和1.261 eV。3.对提出新型硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的物理性质进行了系统研究。基于第一性原理计算得到了硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的晶格常数、密度等,并分析了锗原子掺杂量对晶格参数的具体影响。声子谱的计算结果表明,该合金材料具有动力学稳定性。计算了硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的弹性常数,结果表明该合金材料具有力学稳定性,且随着锗原子掺入量的增加其弹性常数逐渐减小。同时,随着锗原子掺入量的增加,硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的体积模量、剪切模量和杨氏模量也随之减小,这表明该合金的抗压缩形变能力也在逐渐减弱。计算了硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的泊松比,其结果表明该合金材料具有脆性。最后,本文研究了硅锗合金Si36-xGex（x=1～18,36）的电子结构,从能带结构的计算结果来看,随着锗原子的掺入,该合金的带隙值逐渐减小,并且Si25Ge11,Si23Ge13,Si22Ge14,Si15Ge18和Ge36表现出了金属性。通过对以上这些新型材料研究,其结果表明它们都有着优异的电子结构,如果在实验上能够成功制备,那么将在现代工业中的光电领域有着很好的应用前景。随着越来越多的新材料的出现,一方面给了科研人员很大的信心,不断在理论上进行完善;另一方面也吸引越来越多的学者加入到科研队伍中。
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