ZnS-MgS半導體合金和W-B超硬化合物的結構預測及物性研究
發(fā)布時間：2020-07-31 20:25
【摘要】：ZnS是一種重要的寬帶隙半導體材料,與MgS形成合金以后,帶隙值可以得到調節(jié),能夠大大拓寬它的應用范圍。鎢硼化合物不僅具有和傳統(tǒng)超硬材料相比擬的力學性質,而且不需要高壓這種極端條件就可以合成,是一種極具潛力的新型超硬材料。但這兩個體系至今沒確定的不同相之間的關系和復雜的結構,阻礙了人們對它們更深入的認識。本論文采用基于遺傳演化算法的晶體結構預測與第一性原理相結合的方法,首先對ZnS,MgS及ZnS-MgS半導體合金和W-B超硬化合物這兩個體系可能存在的結構進行預測,然后分析了所得到結構的電子和力學性質,獲得了以下創(chuàng)新性的結果:1、對于二元半導體材料ZnS和MgS,我們系統(tǒng)的探索了它們在0到180 GPa壓力范圍內的晶體結構,并分析了這些結構的電子性質。我們成功的在低壓下找到了ZnS和MgS的已知結構,并且在更高的壓力下首次發(fā)現ZnS的高壓相四方結構P4/nmm和MgS的兩個高壓相立方結構P213和三方結構R3?,其中P4/nmm是個金屬相,表明傳統(tǒng)的半導體材料ZnS在壓力的作用下最終變成了金屬。通過詳細的焓值計算,我們得到了這些結構之間的相變壓強,其中ZnS已知的正交相Cmcm在67 GPa時相變?yōu)镻4/nmm,MgS已知的立方相B1在128 GPa時相變?yōu)镻213然后在157 GPa時相變?yōu)镽3?,并且我們計算的ZnS和MgS已知相之間的相變壓力與實驗值一致。2、對于ZnS-MgS合金,我們使用晶體結構預測的方法在0到180 GPa的壓力范圍內發(fā)現了四個不同Mg組份的穩(wěn)定結構:Pmm2-MgZn_7Mg_8,P21/m-MgZn_3S_4,P4/nmm-MgZnS_2,和R3-Mg_8ZnS_9,并構建了壓強與組份的完整相圖。通過進一步的研究,我們發(fā)現合金結構的形成中二元化合物ZnS和MgS的高壓相起主導作用:富Zn合金(MgZn_7Mg_8,MgZn_3S_4,和MgZnS_2)主要基于ZnS的高壓四方相P4/nmm,而富Mg合金(Mg_8ZnS_9)主要基于MgS的高壓三方相R3?。通過計算它們的能帶,我們得到了合金帶隙與組份和壓強的關系,并指出了合金與二元化合物結構之間的關系導致了合金的帶隙值在富Zn組份的時候隨著Mg組份的增加而增加,到富Mg組份的時候開始減小。3、對于W-B超硬化合物,在0到40 GPa的壓力范圍內,我們系統(tǒng)的研究了它們的穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的晶體結構。兩種穩(wěn)定結構P4?2_1m-WB、P21/m-W_2B_3和三種低能亞穩(wěn)結構Ama2-W_6B_5、R3m-W_2B_5和Pmmn-WB_5被我們首次發(fā)現。此外,我們的計算表明對于有爭議的WB_4在大約1 GPa以上的壓力下存在穩(wěn)定的結構P6_3/mmc-2u,而不是以前所報道的常壓。我們構建了在0到40 GPa的壓力范圍內W-B體系完整的相圖,并給出了所預測結構具體的晶格參數。通過分析W-B體系結構的力學性質,我們得到了以下兩個重要結論:(1)我們預測的WB的基態(tài)結構P4?2_1m表現出了更高的硬度相比于以前所報道的α和β相。(2)W-B體系中WB_2,WB_4和WB_5是有潛力的超硬材料,其中我們預測的亞穩(wěn)態(tài)結構Pmmn-WB_5是W-B體系所有結構中最硬的。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN304
【圖文】：
MgS 和 ZnS-MgS 合金的結構和電子性質(MgS)n(m+n≤12) 合金的結構進行了預測。所預測結構的弛豫和總能計算使用密度泛函理論（DFT），采用廣義梯度（GGA）的方法，這一切在 VASP 中實現對于電子和離子之間的相互作用，我們采用了投影綴加平面波（PAW）的方法鎂原子，鋅原子和硫原子的 3s2，3d104s2和 3s23p4被認為是價電子。在結構優(yōu)化中，截斷能選取為 500eV，k 點在倒易空間的網格為 0.07 -1，對于更高精度的優(yōu)化和自洽采用 0.04 -1。聲子譜的計算采用 PHONOPY 程序[43,44]。對于弛豫后的結構，我們采用 TB-mBJ 的方法來計算能帶結構[45,46]。2.3 ZnS 和 MgS 的晶體結構和電子性質(Crystalandbandstructureof ZnS and MgS)
如圖 2-2 (b)所示。我們計算了 MgS 的各個相每個原子的體積隨壓強的關系，如圖2-2(d)所示，B1 相與 P213 相之間的轉變伴隨著體積的連續(xù)變化，說明是二階相變，而 P213 相到 R3 相之間的轉變伴隨著體積的突變說明是一階相變。值得注意的是，以前有報道 MgS 的 B1 相會在 167GPa 的時候相變?yōu)?B2 相，但是我們的
碩士學位論文焓值計算表明我們發(fā)現的 R3 相具有比 B2 結構更低的焓值，平均每個分子式在160GPa 時要低高達 0.45eV，這說明了 B2 結構在熱力學上是很不穩(wěn)定的。為了揭示這一系列復雜結構相變的深層機理，我們計算了這些結構在相變壓力附近的聲子譜，如圖 2-3 所示。ZnS 的 B1 相，Cmcm 相和 MgS 的 B1 相在相變壓力附近都出現了虛頻，表明了 ZnS 的 B1→Cmcm→P4/nmm 之間的相變和 MgS 的B1→P213 間的相變都是由于結構的動力學不穩(wěn)定引起的。
本文編號：2776967
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN304
【圖文】：
MgS 和 ZnS-MgS 合金的結構和電子性質(MgS)n(m+n≤12) 合金的結構進行了預測。所預測結構的弛豫和總能計算使用密度泛函理論（DFT），采用廣義梯度（GGA）的方法，這一切在 VASP 中實現對于電子和離子之間的相互作用，我們采用了投影綴加平面波（PAW）的方法鎂原子，鋅原子和硫原子的 3s2，3d104s2和 3s23p4被認為是價電子。在結構優(yōu)化中，截斷能選取為 500eV，k 點在倒易空間的網格為 0.07 -1，對于更高精度的優(yōu)化和自洽采用 0.04 -1。聲子譜的計算采用 PHONOPY 程序[43,44]。對于弛豫后的結構，我們采用 TB-mBJ 的方法來計算能帶結構[45,46]。2.3 ZnS 和 MgS 的晶體結構和電子性質(Crystalandbandstructureof ZnS and MgS)
如圖 2-2 (b)所示。我們計算了 MgS 的各個相每個原子的體積隨壓強的關系，如圖2-2(d)所示，B1 相與 P213 相之間的轉變伴隨著體積的連續(xù)變化，說明是二階相變，而 P213 相到 R3 相之間的轉變伴隨著體積的突變說明是一階相變。值得注意的是，以前有報道 MgS 的 B1 相會在 167GPa 的時候相變?yōu)?B2 相，但是我們的
碩士學位論文焓值計算表明我們發(fā)現的 R3 相具有比 B2 結構更低的焓值，平均每個分子式在160GPa 時要低高達 0.45eV，這說明了 B2 結構在熱力學上是很不穩(wěn)定的。為了揭示這一系列復雜結構相變的深層機理，我們計算了這些結構在相變壓力附近的聲子譜，如圖 2-3 所示。ZnS 的 B1 相，Cmcm 相和 MgS 的 B1 相在相變壓力附近都出現了虛頻，表明了 ZnS 的 B1→Cmcm→P4/nmm 之間的相變和 MgS 的B1→P213 間的相變都是由于結構的動力學不穩(wěn)定引起的。
【相似文獻】
相關碩士學位論文 前1條
1 趙昌明;ZnS-MgS半導體合金和W-B超硬化合物的結構預測及物性研究[D];中國礦業(yè)大學;2018年
本文編號：2776967
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