若干種新型材料的結構和性質的理論研究.pdf

1、隨著計算機硬件和軟件技術的發(fā)展以及計算理論的完善,計算機對材料結構和性質的模擬已經逐漸脫離對物化實驗的依附,成為一門獨立的交叉學科。本論文簡單地介紹了計算材料學的發(fā)展和主要研究方法,包括第一性原理和分子動力學?；谶@些計算方法,研究了若干材料的結構性質、力學性質、光學性質等。本論文主要包括以下幾方面的內容:
　　 一、利用第一性原理研究了IVA-V和IVB-V族化合物的電子結構和光學性質。由于在各種領域的應用價值,IVA-V族化

2、合物在過去幾十年中一直受到廣泛的關注。例如C3N4、SigN4和Ge3N4以較高的體積模量和較大的禁帶寬度著稱,在高性能的工程材料中有很高的應用價值。近來C、Si、Ge、Sn等Ⅳ族元素的磷化物也逐漸被合成,它們具有3:4的化學計量比,被證實具有贗立方的結構。IVB族的氮化物也是人們非常感興趣的材料。擁有3:4化學配比的IVB族氮化物具有Th3P4結構。本論文采用第一性原理對具有穩(wěn)定贗立方結構的Si3P4、Ge3P4、Sn3P4和立方結構

3、的Ti3N4、Zr3N4、Hf3N4進行了計算,得到了它們的能帶、態(tài)密度、體積模量、以及各種光學性質譜線。結果表明贗立方結構的A3P4(A為Si、Ge和Sn)是間接帶隙的半導體,相比于他們的氮化物,磷化物具有較小的體積模量,并且沒有很大的各向異性。而立方結構的M3N4(M為Ti、Zr和Hf)也是間接小帶隙的半導體。對光學性質的研究得到A3P4的飽和有效電子數隨著陽離子的原子序數的增加而減小而M3N4則恰好相反。兩類材料都具有較大的靜態(tài)介

4、電常數,因此可望在未來的微電子行業(yè)中獲得應用。
　　 二、理論和實驗相結合研究了相變存儲材料Ge2Sb2Te5(GST)的電子結構和光學性質。隨著計算機多媒體技術的發(fā)展,對存貯介質的要求進一步提高,不僅讀寫速度要快,而且必須有大的存儲密度和容量,而在其它光盤日趨達到存儲極限的時候,相變光盤受到越來越多的關注,成為下一代存儲技術首要的突破點。在眾多的相變存儲材料中,GST材料擁有很好的熱穩(wěn)定性、很高的晶化效率、以及具有很大數量的讀

5、寫次數。工業(yè)上對GST的應用是利用它的非晶結構和立方亞穩(wěn)態(tài)結構之間電學和光學性質的差別進行兩態(tài)存儲,從而達到讀寫數據的目的。本論文對具有非晶結構、立方亞穩(wěn)態(tài)結構和六角密堆積結構的GST進行了理論和實驗的研究。結果表明立方結構具有半導體的性質,而六角結構的GST更像金屬或簡并的半導體;立方結構和六角結構之間的反射率對比度雖然不及非晶結構和立方結構之間的差別那么明顯,但是仍然有可能作為存儲介質,這樣就提出了GST在非晶、立方和六角結構三個狀

6、態(tài)之間實現“多態(tài)存儲”的可能性。
　　 三、液態(tài)Al60Cu40合金的微觀結構的實驗和理論研究。非晶態(tài)的金屬玻璃和液態(tài)的金屬合金是材料科學中炙手可熱的研究課題。不同于晶體,無定形和液態(tài)結構不具備長程有序性。近來的研究發(fā)現,無定形和液態(tài)結構的短程和中程有序性對這些玻璃和液態(tài)材料的性質起到了重要的作用。本文從實驗和理論上研究了液態(tài)Al60Cu40合金的微觀結構隨液態(tài)溫度的變化。結果表明利用第一性原理的理論方法建立的模型可以很好的描述