低压缩硬质材料氮碳酰亚胺的第一性原理计算

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1、硬质材料碳氮酰亚胺的电子结构特征摘要：采用第一性原理计算方法研究了氮碳酰亚胺C2N2(NH)的晶体结构﹑力学和电子特性。计算得到的晶格参数、实验数据均与先前的理论结果很好吻合。且计算表明常压下正交结构的C2N2(NH)力学性质稳定。计算得到的高体弹性模量和剪切模量表明C2N2(NH)可做为超强抗压缩硬质材料的潜在候选者。此外，文章还讨论了其各向异性和德拜温度的大小。另外电子能态密度和电子局域函数分析表明，存在于CN4四面体中的C-N强共价键是其具有高体弹模量和剪切模量以及小泊松比的主要原因。关键词：第一性原理计算力学和电子性质弹性各向

2、异性电子局域函数AbstractFirstprinciplescalculationsareperformedtoinvestigatethestructural,mechanical,andelectronicpropertiesofC2N2(NH).Ourcalculatedlatticeparametersareingoodagreementwiththeexperimentaldataandprevioustheoreticalvalues.OrthorhombicC2N2(NH)phaseisfoundtobemechani

3、callystableatanambientpressure.Basedonthecalculatedbulkmodulusandshearmodulusofpolycrystallineaggregate,C2N2(NH)canberegardedasapotentialcandidateofultra-incompressibleandhardmaterial.Furthermore,theelasticanisotropyandDebyetemperaturesarealsodiscussedbyinvestigat-ingth

4、eelasticconstantsandmoduli.DensityofstatesandelectroniclocalizationfunctionanalysisshowthatthestrongC–NcovalentbondinCN4tetrahedronisthemaindrivingforceforthehingbulkandshearmoduliaswellassmallPoisson’sratioofC2N2(NH)Keywords:FirstprinciplescalculationsMechanicalandelec

5、tronicElasticanisotropyElectroniclocalizationfunction1.引言探索和设计超强抗压缩超硬材料是一个具有挑战性的长期课题，在基础科学和技术应用方面有着非常重要的意义[1]。超硬材料中除了已知的金刚石和立方氮化硼（c-BN），大量的实验和理论工作一直致力于新型硬质材料设计与合成。众所周知，由轻元素B,C,N和O所组成的强三维共价化合物是超硬材料的强有力候选者，例如BC2N[2]﹑BC5[3]﹑B6O[4]等。在这些共价化合物中，CN化合物（C3N4，CN，C3N等）因拥有与金刚石可相比的高

6、体弹性模量和硬度值而备受关注。尤其是β-C3N4[5]，其理论体弹模量值高达~430GPa，因此实验上一直在致力合成具有这种结构的碳氮相。虽然许多研究人员试图通过使用各种合成技术，包括高压和高温（HP-HT）法去合成CxNy晶体，但是目前还没有可靠的证据来证实这种碳氮相的成功合成。化学计量N:C比值为1.3-1.5的CxNy晶体在以往的工作中报道过[6,7]。然而，这些材料均是是非晶或微晶材料。它们的结构和化学成分没有得到很好的表征。此外，在高温高下合成的材料一般很难在常压条件在保存。最近，E.Horvath-Bordon等人[8]首

7、次在高温高压条件下，利用激光加热金刚石对顶砧技术，合成出N:C比为3:2的单晶碳氮酰亚胺C2N2(NH)。这个新的氮碳单晶致密相可以恢复保留至常压环境。使用TEM﹑EELS﹑SIMS技术，人们发现C2N2(NH)具有类似于Si2N2(NH)的缺陷纤锌矿结构。此外，E.Horvath-Bordon等人计算得到C2N2(NH)的体弹性模量为277GPa。最近，这一具有缺陷纤锌矿结构的碳氮酰亚胺C2N2(NH)在采用双氰胺为原材料使用激光加热的高压实验中，被同步辐射X射线衍射和拉曼散射再次确定[9]。在卸压时，样品中没有新相变的发生，C2N

8、2(NH)稳定存在至常压。然而在理论上关于这种新的单晶碳氮相的物理性质和化学性质很少研究，如弹性常数﹑热力学性质﹑电子特性等等。因此，作为一种新的氮碳相，人们可能会期望其具有优异的机械和其它新颖的物理性质和化学性质。在本