低压缩硬质材料氮碳酰亚胺的第一性原理计算.docVIP

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 弹性各向异性 电子局域函数 Abstract First principles calculations are performed to investigate the structural, mechanical, and electronic properties of C2N2(NH). Our calculated lattice parameters are in good agreement with the experimental data and previous theoretical values. Orthorhombic C2N2(NH) phase is found to be mechanically stable at an ambient pressure. Based on the calculated bulk modulus and shear modulus of polycrystalline aggregate, C2N2(NH) can be regarded as a potential candidate of ultra-incompressible and hard material. Furthermore, the elastic anisotropy and Debye temperatures are also discussed by investigat-ing the elastic constants and moduli. Density of states and electronic localization function analysis show that the strong C–N covalent bond in CN4 tetrahedron is the main driving force for the hing bulk and shear moduli as well as small Poisson’s ratio of C2N2(NH) Keywords: First principles calculations Mechanical and electronic Elastic anisotropy Electronic localization function 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。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]，其理论体弹模量高达~ 430 GPa，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。 最近，E. Horvath-Bordon等人[8]首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277 GPa。最近，这一具有缺陷纤锌矿结构的碳氮酰亚胺C2N2(NH) 在采用