翻译Mg3N2高压结构理论研究

1、主主 讲讲 人：人： 李李 鑫鑫专专 业：业： 凝聚态物理凝聚态物理指导教师：刘艳辉副教授指导教师：刘艳辉副教授前言1、研究现状氮化镁的结构研究主要是应用一种广泛的研究方法就是晶体结构预测。先前研究了-, - and-Mg3N2,为了研究新型的功能材料，氮化物拥有很多不同功能，被用来当作模型系统。二元氮化物如氮化铝和氮化硅被广泛的应用于高性能工程和衬底材料在半导体产业中。在这些产业中，mg3n2具有不同的应用，例如为了形成多种氮化物，从而被用作渗氮剂；作为合成超硬的氮化硅和氮化硼的催化剂；作为精制钢的添加剂。除此之外，有关的含镁氮化物是潜在的耐高温材料和基板在电子产业当中。除此之外，他们也是很

2、好的储氢材料。2、存在问题早在1933年，-Mg3N2被证实在立方锰铁矿中，就是在三氧化铝铁，和第二主族金属氮化物中。理论报道，被预测存在两个高压相位- and-Mg3N2。一些早期的研究突出了Mg3N2在高压下行为的重要性。然而,缺乏系统性调查妨碍了我们对其属性的理解并进一步应用Mg3N2。在本篇文章中，我们就选取了Mg3N2潜在的高压下结构进行研究。01计算方法Calculation MethodsPART ONECALCULATION METHODS计算方法系统从三个Mg原子和两个N原子开始，第一代的数值是随机选出的，被设置成200.其中遗传给下一代的有60%，20%为基因突变，有10%

3、是随机的空间群特性，还有剩下的10%为晶格突变。通过竞争与生存，全局优化的最好一代是第25代。一旦从USPEX中获得新的结构，就会用第一性原理和平面波赝势方法，密度泛函理论实现CASTEP代码。PBE中GGA交换关联式。USPP描述电子原子配置。2p63s2代表Mg的价电子，2s22p3代表N原子的价电子。BFGS来几何优化晶胞。以上所有提到的结构的平面波动能截至为540eV。所有的结构优化迭代过程都直到满意为止。Proper MonkhorstPack k-point grids来检查以确保按照收敛性判别标准和符合Mg3N2的实际指标。为了确保获得结构动态稳定，采用CASTEP代码。1、US

4、PEX2、CASTEP（1）PBE-GGA（2）BFGS（3）Proper Monkhorst-Pack k-point grids02结果与讨论Results and DiscussionPART TWO图1：?-Mg3N2晶体结构示意图 （蓝色-Mg、红色-N） NMg6原子组成的八面体 MgN4原子组成的四面体 图2：-Mg3N2晶体结构示意图（蓝色-Mg、红色-N、绿色-Mg1N4、紫色-Mg2N4） NMg6原子组成的三角柱 MgN4原子组成的四面体 图3：-Mg3N2晶体结构示意图（蓝色-Mg、红色-N、紫色-Mg1N4、橙色-Mg2N4） NMg6原子组成的多面体 MgN4原子组

5、成的四面体 图4：-Mg3N2晶体结构示意图 （蓝色-Mg、红色-N） NMg6原子组成的多面体 MgN4原子组成的四面体 图5：-Mg3N2晶体结构示意图 （蓝色-Mg、红色-N） NMg7（绿色）原子组成的多面体 NMg6（黄色）原子组成的八面体 MgN4（绿和橙色）原子组成的四面体 MgN5（紫色）原子组成的角锥体03力学性能Mechanical PropertiesPART THREE 根据胡克定律，晶体对称性，不同的组采用不同的计算方法。如表7所示。 因为这些结构都属于三方晶系或是正交晶系，所以有6或9种独立的弹性常数。 对于三方晶系的力学稳定态判断如下： (C11+C12)C33-

6、2C1320; (C11-C12)C44-2C1420. 对于斜方晶系的力学稳定态判断如下： Cii0(i=1,2,3,4,5,6); C11+C22+C33+2(C12+C13+C23)0 C11+C22-2C120;C11+C33-2C130; C22+C33-2C230 从表从表7中可以得出，所有结构都是稳定的。中可以得出，所有结构都是稳定的。表7：在新发现的结构中弹性常数的计算值 用下面这个三阶方程计算Mg3N2的压力-体积数据：P(V)=1.5B0(V/V0)-7/3-(V/V0)-5/31+0.75(B0-4)(V/V0)-2/3-1V0是单位体积，P是单位压力，B0是等温度体积弹

7、性模量，B0是第一压力导数的体积弹性模量，拟合结果如图6.数据结果如表8.图6-Mg3N2的体积减小速率相比于其他结构更大。根据弹性常数，计算相应的体积和剪切模量得到的数据。根据杨氏模量和泊松比计算的到B和G，如下：众所周知，剪切模量和体积弹性模量能够反应固体硬度。体积弹性模量是衡量体积变化的压力，而剪切模量是剪切时变形的阻力。-Mg3N2的剪切模量大于其他的剪切模量大于其他的结构，表明了它可以承受的剪切应力高于其他结构。相反，的结构，表明了它可以承受的剪切应力高于其他结构。相反，-Mg3N2的剪切模的剪切模量最小。杨氏模量越高，材料硬度越大。量最小。杨氏模量越高，材料硬度越大。从表8可以看出

8、，-Mg3N2是最硬的结是最硬的结构。构。根据ref41，材料的韧性高于1.75才是有硬度的，否则，他就是脆弱的。根据计算值，所有的Mg3N2结构除了-Mg3N2，都有脆弱性的表现。考虑N的存在，我们进一步分析，根据维氏硬度和普模量计算，新发现的结构比之前发现的-，-，-Mg3N2的硬度都大。GBBG39E)3(22B3GBG04相变图Phase Transition DiagramPART FOUR图7：计算焓曲线图（相对于-Mg3N2）。（插图：-Mg3N2的焓值）根据第一性原理计算结果，计算的焓差值如图7所示。如图所示，我们可以发现，-Mg3N2处于最稳定的阶段是在环境压力下的最低焓。我

9、们可以清楚的看到，大约20GPa下-Mg3N2和-Mg3N2相等。当压力超过27到30GPa，-和?-Mg3N2的焓降低，低于-mg3N2。意味着-和?-Mg3N2更稳定。53Gpa后，-Mg3N2更稳定。68Gpa后，-Mg3N2也很低了。对于-Mg3N2的焓值仍然高于-Mg3N2即使到70Gpa之后。发现知道115Gpa之后才小于-Mg3N2.Mg3N2的这些结构在高压下的表现，有异常情况可能会在高压下被保存下来。为了研究这些高压下相对稳定的结构，通过Vasp计算他们的声子特性的声子包（如图8（a-e）。如图所示，图中没有设想的频率，表明他们都是动态稳定的。05电子特性Electronic

10、 PropertiesPART FIVE用USPP-PBE计算的Mg3N2的8种结构的能带结构和态密度，如图9所示。可以看出除了-Mg3N2，其他的结构都是直接半导体因为存在直接带隙在点。计算出-Mg3N2（如图9a）的能带是1.45eV，早期的研究结果是1.63eV，只有经验数值的52%（2.8eV）。图9a众所周知，DFT-GGA的计算结果通常低估能带对于半导体和绝缘体来说（大部分情况下只有经验数值的50%80%）。如图9b来说他们的直接能带数分别为1.27eV（-Mg3N2），1.41ev（-Mg3N2），1.05eV（-Mg3N2），1.22eV（-Mg3N2）。图9b-Mg3N2和-

11、Mg3N2被预测到了有一个狭窄的带隙分别为0.75eV和0.91eV。如图9，f和g图。对于-Mg3N2，不存在费米能级，但是存在电子态在EF，暗示疲惫的电子状态。应用USPP-PBE计算。如图9h.图9f图9g图9h图10：Mg3N2各种压力下的带隙计算值。压力对于带隙有很大的影响。根据压力不同绘制出不同的函数，从0GPa50GPa。结果表明，压力越结果表明，压力越大，带隙越大，这意味着在高压下大，带隙越大，这意味着在高压下Mg3N2有着潜在的光学作用。有着潜在的光学作用。更引人注意的事是-Mg3N2大约在20GPa下从金属状态转化为半导体状态。图11展示了-Mg3N2在50GPa的能带结构

12、。我们可以看到这是间接能带，价带最大值和导带最小值被定位在?点（-0.5，0.0，0.0）和点（0.0，0.0，0.0），被分为一个禁带缺口为0.27eV。我们同时注意到他被分为两个区域在一个0.94eV能带中，高带宽是3.58eV，低带宽是2.83eV。图11：-Mg3N2在50GPa的能带结构图12：通过HSE和PAW-PBE方法进行计算对比的-Mg3N2的态密度。（a）0GPA和（b）50GPa图13：通过PAW-PBE和HSE计算-Mg3N2的能带在环境压力下表明-Mg3N2是间接能带半导体。06总结ConclusionsPART SIX总 总的来说，除了先前研究的已经报道过的三个结构，Mg3N2的五种新的高压下的结构被首次提出，通过使用进化的方法展示了与压力有关的多个相图。基于第一性原理，发现-，-，-，-和-Mg3N2在某些压力值下低于-Mg3N2.除此之外，-Mg3N2首先在20GPa下转化为-Mg3N2，又在65GPa下转化为?-Mg3N2。弹性常数和声子特性曲线表明所有的结