高压下c-Zr3N4弹性性质和热力学性质的第一性原理研究.pdf

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1、2014年7月四川师范大学学报(自然科学版)July，2014第37卷第4期JournalofSichuanNormalUniversity(NaturalScience)V01．37．No．4高压下c—Zr3N4弹性性质和热力学性质的第一性原理研究成娟，文0科(四川师范大学物理与电子工程学院，I~tJlI成都610066)摘要：利用平面波赝势密度泛函理论方法研究了高压下C—ZrN的结构性质和弹性性质，由此获得了C—Zr3N在高压下的体弹模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性质．高压弹性常数计算结果表明，在小于50GPa下，C—Zr3N没有发生相变，是力学稳定的，而且

2、各向异性因子计算表明其具有弹性各向异性．此外，高压下C—ZrN的BiG计算结果表明，在此压强范围内，C—Zr，N具有较好的延展性．最后利用准谐德拜模型研究了C—ZrN的热动力学性质，得到了其高压下的热容、德拜温度和热膨胀系数等参数．研究C—ZrN在高压下的弹性性质和热动力学性质，对实验研究具有一定的参考价值．关键词：弹性常数；德拜温度；热膨胀系数；C—Zr3N中图分类号：0521．2文献标志码：A文章编号：1001—8395(2014)04—0540—07doi：10．3969／j．issn．1001—8395．2014．04．019过渡金属氮化物，由于具有良好的化学及

3、热学体弹模量．F．M．Gao_1采用第一性原理研究了稳定性、较高的硬度及强度、高熔点、良好的导电性ZrN薄膜的硬度．而w．Y．Ching等通过第一及超导电性等突出而独特的物理性能，在工业上被性原理研究ZrN的电子结构和电介函数．M．xu广泛应用¨J．近年来，越来越多的人们开始关注其等也研究了zrN4在常压下的电子结构、力学性合成和性质的研究，尤其是高温高压方法在过渡金质和光学性质．属氮化物制备的方面体现出独特的优越性J．综上所述，无论是理论上还是实验上，对C—R．Fix等报道在1991年通过化学气相沉积ZrN在高温高压下的力学性能的研究还是相对缺法制备了zrN和Hf3N

4、薄膜．A．Zerr等采用激乏的，尤其是高压下的弹性常数和各向异性等重要光加热金刚石压砧方法在压强15．6～18GPa和温的力学性能参数还没有被研究，此外，C—zr，N在度2500～3000K条件下制备出了高密度的立方高温高压下的热动力学性质尚未有报道，因此，本ZrN和Hf3N．他们通过拉曼光谱测得C—Hf3N文采用第一性原理计算C—ZrN在高压下的结构和C—Zr，N的晶格常数a。分别为0．6701和和弹性性质，并通过准谐德拜模型得到其高温高压0．6740nm，体弹模量的值均约为250GPa．D．下的热动力学性质．A．Dzivenko等通过高温高压方法合成出1计算方法zr

5、(NO)，维氏硬度测试得12．0(6)GPa，低于纯相立方氮化锆维氏硬度(H>30GPa)本文利用基于平面波赝势密度泛函理论MS软的报道结果J．在理论计算方面，P．Kroll_1。。采用密件中的CASTEP程序包进行计算．采用Vander—度泛函理论方法研究了Zr，N和Ti，N在高压下的bih超软赝势，交换关联能用局域密度近似稳定性，并且发现这2种化合物的立方结构比斜方(LDA)¨中的CA—PZ和广义梯度近似(GGA)结构的稳定性高了15—20GPa，这一结果和文献中的PBE形式．选取同样的计算精度用自洽迭代法[9]中的实验结果相一致．M．Mattesini等报道在最小

6、傅里叶交换网格上对晶体模型进行结构优了这2种化合物在零温零压下的平衡晶格参数和化，使其达到稳定的几何结构．在结构优化的过程收稿日期：2014—02—24基金项目：四川省科技厅中外合作项目基金(2014HH0014)资助项目作者简介：成娟(1974一)，女，讲师，主要从事实验物理及理论物理的研究，E—mail：chjfmd@126．com第4期成娟，等：高压下c—zr。N弹性性质和热力学性质的第一性原理研究541中，自洽场收敛精度为5．0×10～eV／nm，布里渊区个原胞中包含的原子数．内的积分采用Monkhorst—PackI1引形式的特殊点非平衡Gibbs函数G(V；

7、p，T)对体积求最小方法，截断能和K点的设置分别为280eV和5×5值，即×5，计算过程中N的2s2p。和zr的4s4p4d5s(＼0V)／p’：0．’(＼3)／视为价电子．为了研究C—Zr，N的热力学性质，使用了准谐通过(3)式就可以得到热状态方程，且等温弹性模量B热容C和热膨胀系数Ot分别用如下形德拜模型．采用该方法，已成功计算并获得了式表示ZrB2、ReB2、TiB2等物质的热力学性质．C—zr3N的非平衡Gibbs函数G(V；p，T)形(p，)=(旦)，，，(4)式如下G(V；p，)=E()+pV+ck[4D(O／T)一]，(5)