阴离子掺杂稳定c-ZrO2的第一性原理研究

利用密度泛函(DFT)中的PW91PW91方法计算了碳和氮阴离子掺杂稳定c-ZrO2的机制.热力学计算表明碳元素和氮元素取代氧化锆晶格氧反应的吉布斯自由能均小于零,这表明两种取代反应都是可以进行的.结合阴离子掺杂稳定作用能计算和结晶学理论分析认为氮元素主要以替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆,而碳元素则是首先扩散进入氧化锆的八面体空隙,随八面体体积收缩和热处理温度的升高,转变为替代晶格氧引入空位的方式稳定四方或立方氧化锆.同时,分析认为不同氮源和初始氧化锆相成份也影响着立方或四方氧化锆的稳定作用.     

立方结构CaTiO3晶体物理性质模拟

本文运用GULP软件模拟计算了理想立方结构CaTiO3的力学、热学和声子性质.利用正交相结构CaTiO3的晶格结构数据(晶格常数和原子坐标)和晶体性质(弹性常数和高频介电常数)通过GULP的弛豫拟合技术得到理想立方结构CaTiO3的势参数.用该组势参数计算得到的结果和实验结果相吻合.在此基础上计算了理想立方结构CaTiO3的体弹模量、压缩率、杨氏模量、泊松率、弹性常数和高频介电常数.计算并详细分析了理想立方结构CaTiO3沿着高对称方向(X→R;R→M;M→G;G→R)的声子色散曲线和声子态密度.还计算了温度范围为0～1000 K的热容和熵.     

钛酸铅钡铁电薄膜的光学性能研究

采用溶胶-凝胶工艺在石英衬底上制备了Pb1-xBaxTiO3(BPT,x=0～1)铁电薄膜.利用X-射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱(Raman)对薄膜的相变特性、晶粒尺寸、结构和表面形貌进行了表征.结果表明,在750 ℃的退火温度下,所有的样品都已经完全晶化为多晶钙钛矿结构,薄膜表面均匀致密.在x=0.4时,薄膜由铁电四方相结构转化为顺电立方相结构.采用紫外-可见分光光度计在200～1000 nm波长范围内测试薄膜样品的光学透过率,并通过透射光谱计算了薄膜的光学带隙以及折射率和消光系数的色散关系.     

超高压高温下石墨向金刚石直接转变的EET理论分析

石墨向金刚石在超高压高温下的转变机理经过了数十年的探讨,至今未形成定论.本文根据固体和分子经验电子理论(EET理论),分别计算了静压超高压高温条件下立方合成立方金刚石过程中石墨和金刚石的价电子结构,获得了石墨和金刚石12组不同组合晶面间的价电子密度.结果表明,在超高压高温下其电子密度差均大于10;,说明石墨/金刚石晶面的价电子结构差异太大,不能诱发石墨向立方金刚石的直接转变.分析认为:超高压高温下,石墨先分解出一亚稳相后再转变成立方金刚石结构.     

立方相KTa0.67Nb0.33O3晶体的系列相变研究

采用拉曼散射技术研究了立方相KTa0.67Nb0.33O3晶体的系列相变,从声子角度分析了各相变特点.降温过程中立方-四方和四方-正交相变分别发生在-29℃和-95℃左右,正交-三方相变可能发生在-150℃左右.最后简单讨论了晶体的相变机制和居里点与晶体组分的关系,并比较分析了居里点的实验值与理论值的差异.     

立方相Ca2Ge结构稳定性的第一性原理研究

采用贋势平面波中的GGA和LDA两种近似方法分别计算立方相Ca2Ge在-6~8 GPa应力作用下的弹性特性、布局分析、电子结构和(100)面的电荷密度,分析应力作用下立方相Ca2Ge的结构稳定性.计算结果表明,当应力在-6~8 GPa范围,立方相Ca2Ge具有较好的力学稳定结构,体弹模量B、剪切模量G和杨氏模量E随应力的增加而增加,体弹模量B的增长呈线性增加,而剪切模量G和杨氏模量E的增长速率随应力的增加而减小.根据Pugh准则,当应力小于4 GPa时,立方相Ca2Ge表现为脆性,应力大于等于4 GPa时,表现为延性.根据布局分析结果,随着压力的增加,Ca原子4s态电子向3d态跃迁,立方相Ca2Ge化合物在较高压力下存在共价键,离子性降低.能带结构和态密度计算结果表明,应力在-4~8 GPa范围,带隙值随应力的增加而成线性降低,在-6~0 GPa应力下,Ca s态电子未参与成键,随着应力的增加,各电子态的能带线宽度增加,态密度的峰值宽度增加,表明电子云的重叠越大,电子间的成键强度加强.分析立方相Ca2Ge(100)面的电荷密度,得出(100)面上最大电荷密度值随应力的增加而减小,最小电荷密度值随应力的增加而增加,说明(100)面上电子局域性随应力的增加而降低,电子云的重叠程度随应力的增加而增大,电子轨道半径增大,成键强度增强.     

基于平面波展开法的二维立方晶格光子晶体带隙研究

应用平面波展开法(PMW)计算了圆形立方品格、正方形立方晶格及正六边形立方晶格三种不同结构的二维空气柱光子晶体带隙结构.结果表明,空气柱光子晶体存在对应TE、TM模的完全禁带,并且圆形空气柱光子晶体存在完全带隙.比较而言,圆形空气柱立方晶格的TE模禁带与完全禁带最宽,最宽禁带宽度分别为0.137(ωa/2πc)与0.018(ωa/2 πc),正方形空气立方晶格的TM模禁带最宽,最宽禁带宽度为0.119(ωa/2πc).     

氟掺杂钛酸钡的电子结构和磁性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了F掺杂立方相BaTiO3的稳定性、电子结构和磁性.结果表明F掺杂BaTiO3体系结构稳定,掺杂体系的磁耦合作用与F原子间距密切相关.当F原子间距为0.6468nm时具有很强的铁磁耦合作用,其磁性机制可归结为未配对的Ti 3d电子自旋极化,且一个F原子替代产生1.0μB磁矩.当F原子间距为0.4933 nm时为反铁磁耦合,而间距大于0.7511 nm时为顺磁态.由于F掺杂立方相的BaTiO3可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高,故有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用.     

锰酸镧晶体本征点缺陷的模拟研究

本文利用晶格动力学GULP软件模拟计算了理想立方结构LaMnO3晶体的本征缺陷以及氧空位迁移能.利用离子之间的相互作用势计算得到的结果与实验结果吻合得很好.同时计算了理想立方结构LaMnO3的体弹模量,杨氏模量,泊松率,弹性常数,静介电常数,高频介电常数.通过对本征缺陷形成能的分析得到以下结论:LaMnO3晶体中主要存在的各类缺陷为氧空位、填隙锰、氧的夫伦克尔缺陷和锰替位镧反位缺陷;氧空位的迁移能为0.362 eV,它表明氧在晶体中容易迁移.     

偏压对磁控溅射沉积立方氮化硼薄膜的影响

合适的衬底偏压是物理气相沉积制备cBN的必须条件,本文采用基于蒙特卡洛方法的SRIM软件对PVD过程中离子轰击衬底进行了分析,并进行了相关的实验研究.仿真与实验结果显示,随着离子轰击能量的增加,离子轰击深度和范围扩大,有利于cBN的成核与生长,但是过大的轰击能量会导致薄膜表面N与B元素的不匹配以及薄膜立方相的下降.同时,在PVD气氛中适量添加N2可以弥补薄膜表面N元素的损失,有利于提高立方相含量.