AlN晶体声子谱及其热学性能的第一原理计算

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氮化物由于自身的物理以及结构上的优点在很多领域都有重要的应用。AlN材料具有高的热导率、低的热膨胀系数、高硬度、无毒性,以及良好的介电性质和化学稳定性使其具有广泛的和许多潜在用途。而一些应用中利用了它热学性能,因此对其热学性能应该有很好的了解和掌握。因此,论文“AlN晶体的声子振动谱和热学性能计算”具有重要的理论意义与价值。本文针对AlN晶体的声子谱和热学性能,采用密度泛函理论、第一性原理以及ABINIT软件在Linux操作系统下进行了理论计算。首先进行了AlN晶体的ecut和kopints参数的测试,在考虑计算精度及计算效率的前提下,ecut取为50Hartree(1361eV),kpoint取为6×6×6。在此基础上计算得到了AlN晶体的声子谱以及内能、热容量、熵和自由能与温度的关系曲线,并对曲线进行了理论分析。计算结果表明:(1)AlN晶体的声子谱有12条曲线,其中3支为声学波,9支为光学波,并且形成了一光学带隙。(2)AlN晶体的内能随着温度的增加而增加。在从20K到200K阶段内能增长缓慢,此后内能随着温度的增加几乎成线性增加。(3)热容量起初随着温度的增加而增加的较快,后来逐渐达到稳定值,这与实验结果CV=3Nk是一致的。(4)熵随着温度的增而增加。由于在离子相互接近时产生的相互极化作用,使得熵与温度的关系曲线呈现了一定的弯曲。(5)自由能随着温度的增加而在不断地减小,并且自由能与温度的关系曲线是凹向向下的。以上计算结果与物理规律是一致的。以上研究成果,为以后对于AlN晶体的相关研究与应用提供了有益的理论参考。
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