Теоретическое исследование возможной аллотропной модификации нитрида бора - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Теоретическое изучение строения и свойств монослоя нитрида ванадия 1 79.11kb.
Постулаты Н. Бора 1 152.66kb.
О диссертационной работе Симонова К. А 1 27.83kb.
Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 1 36.79kb.
Теоретическое исследование 1 143.87kb.
И исследование свойств кубического нитрида кремния 1 217.16kb.
Теоретическое и практическое исследование влияния производных гидразидов... 1 334.29kb.
Развлекательно-сталкерский портал ! Заходи у нас не скучно! 1 106.97kb.
Из истории Шадринского бора стр 1 273.86kb.
Неодолимое желание близости 4 602.03kb.
Исследовательская работа «Осень пришла, почему листья деревьев меняют... 1 137.03kb.
Сравнительные испытания режущих свойств нитридной керамики с многофункциональными... 1 103.7kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Теоретическое исследование возможной аллотропной модификации нитрида бора - страница №1/1

УДК 544.18
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОЙ АЛЛОТРОПНОЙ МОДИФИКАЦИИ НИТРИДА БОРА

Тихонова Л.В.

научный руководитель канд. физ.-мат. наук Кузубов А.А.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»
Нитрид бора представлен различными аллотропными модификациями: гексагональный (h-BN), ромбоэдрический (r-BN), вюрцитный (ω-BN), кубический (c-BN) нитрид бора. Кроме того существует спектр фаз, обычно называемых турбостратным нитридом бора (t-BN), также нитрид бора может существовать в виде нанотрубок и фуллеренов. Все модификации BN подобны структурным модификациям углерода.

Qiang Zhu и др. [1] предложили новые аллотропные сверхплотные модификации углерода: hP3, tI12 и tP12. Все три модификации содержат атомы углерода в sp3-гибридизации. В hP3 форме атомы углерода занимают такие же позиции, как атомы кремния в β-кварце. Аналогом для tP12 является китит, а tI12 модификация схожа со структурой SiS2, полученной при высоком давлении, в которой обе атомные позиции (Si и S) заняты углеродом. hP3 и tI12 – самые плотные модификации углерода при температуре окружающей среды. Они являются полупроводниками с шириной запрещенной зоны 3,0 и 5,5 эВ соответственно. tP12 форма – изолятор с шириной запрещенной зоны 7,3 эВ, что является наибольшим значением среди всех форм углерода. Все формы обладают высокой твердостью с большим значением объемного модуля упругости. При этом у hP3-модификации сжимаемость даже меньше, чем у алмаза. Все три формы имеют большую дисперсию света по сравнению с алмазом, то есть они будут обладать сильным блеском (в связи с высокими показателями преломления) и сильными цветовыми эффектами (за счет большей дисперсии света).

Наряду с данными модификациями в работе [2] Xian-Lei Sheng и др. представили другую возможную модификацию углерода: Т-углерод. Эта структура была получена замещением каждого атома в алмазе на углеродный тетраэдр. Т-углерод примерно на 1/3 мягче алмаза, но сравним с кубическим нитридом бора: плотность и твердость данной модификации составляет 1,50 г/см3 и 61,1 ГПа соответственно. Это полупроводник с шириной запрещенной зоны около 3,0 эВ. Объемный модуль упругости составляет 169 ГПа.

Исходя из того, что аллотропные модификации углерода и нитрида бора схожи, интересно рассмотреть форму hP3 для нитрида бора, как единственно возможную среди всех новых модификаций (hP3, tI12, tP12 и Т-углерода), так как данная структура позволяет чередовать атомы бора и азота.

В настоящей работе исследования осуществлялись с помощью квантово-химического моделирования в лицензионном программном пакете VASP 5.2 (Vienna Ab-initio Simulation Package) [3-5] в рамках метода функционала плотности (Density Functional Theory (DFT)) [6] с использованием базиса плоских волн и PAW формализма [7-8]. Вычисления проводились в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA) – обменно-корреляционого функционала PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof).

На начальном этапе работы была смоделирована элементарная гексагональная ячейка hP3-BN, содержащая 12 атомов бора и 12 атомов азота. При оптимизации ее геометрии для интегрирования по первой зоне Брюллюэна (1BZ) эта зона автоматически разбивалась на сетку 4 х 4 х 4, выбранную по схеме Монхорста-Пака [9]. Максимальное значение сил, действующих на атомы в оптимизированной структуре, составляло 0,01 эВ / Å. Энергия обрезания плоских волн Ecutoff в расчетах была равна 400 эВ. При расчете плотности состояния количество k-точек составляло 6 х 6 х 6. Зонная структура строилась по следующим направлениям, соединяющим точки: Г (0; 0; 0); А (0; 0; 0,5); Н (1/3; 1/3; 0,5); К (1/3; 1/3; 0); Г (0; 0; 0); М (0,5; 0; 0); L (0,5; 0; 0,5); Н (1/3; 1/3; 0,5); М (0,5; 0; 0). Вдоль каждого направления обратное пространство разбивалось на 20 промежуточных точек. Модуль объемной упругости рассчитывали изотропным изменением векторов элементарной ячейки на 1%. По полученным значениям объема ячейки и давления в ней строили зависимость



, (1)

где – объем элементарной ячейки, – давление, – объемный модуль упругости. Тангенс угла наклона прямой равен .

В ходе оптимизации геометрии элементарной ячейки B12N12 были получены параметры решетки: a = b = 5,190 Å; c = 5,802 Å. Поверхности оптимизированной элементарной ячейки hP3-BN представлены на рисунке 1. Модификация hP3-BN оказалась плотнее как формы c-BN, так и алмаза. Ее плотность составила 3,655 г/см3, что на 5,03% [10] больше плотности c-BN и на 3,80% больше плотности алмаза [1]. Модуль объемной упругости hP3-BN составил 396,18 ГПа. Это говорит о том, что форма hP3-BN более устойчива к сжатию по сравнению с кубическим нитридом бора, модуль упругости которого равен 387,28 ГПа [11]. Однако hP3-BN уступает по данному свойству алмазу и новой аллотропной модификации углерода hP3-C, модули упругости которых составляют 431,1 и 432,7 ГПа соответственно [1].
c:\users\luydmila\desktop\1.tif

Светлые атомы – бор, темные – азот.

Рисунок 1 – Схематическое изображение кристаллической структуры поверхностей [001] (a), [010] (b) и [100] (с) элементарной ячейки hP3-нитрида бора
На следующем этапе исследования была рассмотрена электронная структура hP3-BN: построена плотность состояний (DOS) и зонная структура (рисунок 2). Из данных расчета видно, что структура hP3-BN является диэлектриком с шириной запрещенной зоны 5,0565 эВ. Минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся в точке G.

Рисунок 2 – Зонная структура и плотность состояний hP3-BN


Показатель преломления n и показатель поглощения a являются важными оптическими свойствами веществ и вычисляются по формулам 2 и 3 соответственно:
, (2)
, (3)
где и  – действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости соответственно. На рисунке 3 приведены зависимости показателя преломления и показателя поглощения от длины волны по направлениям x и z для hP3-BN в видимой и ближней УФ области. Видно, что модификация hP3-BN обладает большой отражательной способностью, больше, чем у алмаза, но меньше, чем у соответствующей модификации углерода hP3-C, предсказанной авторами статьи [1]. В hP3-BN наблюдается различие показателей преломления по разным направлениям.

Рисунок 3 – Графики зависимости показателя преломления (слева) и показателя поглощения (справа) от длины волны для hP3-BN


Представлена новая аллотропная модификация нитрида бора hP3-BN. Проведенные теоретические исследования показали, что структура hP3-BN плотнее как формы c-BN, так и алмаза, обладает хорошими прочностными характеристиками, большой отражательной способностью, является диэлектриком с шириной запрещенной зоны 5,0565 эВ.
Авторы выражают благодарность Институту компьютерного моделирования CO PAH. Межведомственному суперкомпьютерному центру РАН, а также компьютерному центру Сибирского федерального университета за предоставление возможности использования вычислительных кластеров, на которых и были произведены расчеты.
Список публикаций:

[1] Q. Zhu, A.R. Oganov, M.A. Salvad´o et al., Phys. Rev. B 83, 193410 (2011).

[2] Xian-Lei Sheng, Qing-Bo Yan, Fei Ye et al., Phys. Rev. PRL 106, 155703 (2011).

[3] G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. 47, 558 (1993).

[4] G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. 48, 13115 (1993).

[5] G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. 49, 14251 (1994).

[6] W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, 1133 (1965).

[7] P.E. Blöchl, Phys. Rev. 50, 17953(1994).

[8] G. Kresse, J. Joubert, Phys. Rev. 59, 1758 (1999).

[9] H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Phys. Rev. 13, 5188 (1976).

[10] J. Karlsson, K. Larsson, J. Phys. Chem. 115, 22910 (2011).

[11] B. Wen, J. Zhao, R. Melnikc et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 14565 (2011).




Девиз эмансипации: каждой женщине — домохозяйку. Вал. Девятый
ещё >>