ZnO2的结构力学和电子特性的理论研究
毕业论文关键词：第一性原理 相变 密度泛函理论 弹性常数 能带 态密度 ZnO2
Theoretical Study of ZnO2 structural, mechanical and electronic properties
Abstract This paper tends to find out three kinds of speac structures of ZnO2 under different pressures with the Genetic Algorithm; based on pseudopotential plane-wave method of Density functional theory.we also calculate the structure,mechanical and electronic properties of ZnO2`s three space groups under pressure by Material Studio. This paper includes: ZnO2 phase transition sequence of Pa-3→P3121→I4/mcm ,and phase transformer P （ Pa-3→P3121 ） =51.7GPa 、 P(P3121→I4/mcm under high presure)=129.2GPa are successively obtained by changing formation enthalpy. We optimize the three spatial structure to obtain the lattice constant, and calculate the elastic constants, Young's modulus, Poisson's ratio and the Debye temperature of three structures. The result suggests that three kinds of spatial structure of ZnO2 under different pressures meet the mechanical stability criteria. The analysis on energy band and density of states of the three structures shows that ZnO2 is indirect- band-gap semiconductor. In this paper, 4 figures, 6 tables, and 25 references are contained within the text.
Key Words: First Principle Phase Change Density functional theory Elastic constants Band ZnO2
目录
摘要Ⅰ
Abstract-Ⅱ
目录Ⅲ
图清单-Ⅳ
表清单-Ⅳ
变量注释表-Ⅴ
1绪论-1
1.1氧化锌化合物研究的意义1
1.2ZnO2的研究意义-1
1.3研究目的-2
1.4本论文的主要内容-2
2理论基础-3
2.1弹性常数-3
2.2能带理论-6
2.3密度泛函理论-7
3结果与讨论10
3.1高压下相变-10
3.2晶体的结构特征-10
3.3弹性特征12
3.4ZnO2的电子特性13
4结论-16
参考文献-17
致谢19
1. 绪论 1.1氧化锌化合物研究的意义 ZnO2 具有很弱的能带隙，这使它们可以作为半导体材料。它作为宽带隙半导体在化学传感器、催化剂、太阳能电池和发光装置等方面具有广泛的应用，是实际工业应用中的低成本效益的功能性材料。ZnO2 的巨大前景激发了我们对ZnO2新的结构的寻找，基于遗传算法的 USPEX程序结合第一性原理方法对结构预测以及结构性质的研究发挥了巨大的作用。尽管 ZnO2的结构和性质已经得到了广泛的研究和探索，对于 ZnO2的结构和性质有了一定的认识。对于 ZnO2在高压环境下结构的变化可以做进一步进行探究，找到 ZnO2在高压下结构和性质的改变。对于 ZnO2的力学和电子特性的理论研究有可能打开新型材料的设计之门。
1.2 ZnO2的研究背景 目前在高压下对材料进行分析已经取得了很多的成绩，例如石墨在高温高压下可以转变为金刚石物质在高压环境下的结构会发生显著的变化， 现阶段此种方法制造金刚石早已替代传统开采天然金刚石的方法[1]。在高压的条件下利用密度泛函理论和密度泛函微扰论，来研究固体在高压下的力学和电子特性已经成为探索新型材料的主要方法。世界上已有很多方法用于预言结构的研究当中，比如Basin-hopping、随机搜索方法、模拟退火方法、亚稳动力学方法、遗传算法、Minima hopping等近年来，在 ZnO2的结构和性质方面的研究取得了一定的进展，美国的 Oganov 研究小组开发的基于遗传算法的 USPEX 程序[2]，已经取得了较好的成果。这为我们对 ZnO2的结构预测和探索有了重大的启发。 最近，一个研究小组通过进化算法得到了 ZnO2和ZnO的结构相变序列，而且，找到了ZnO2固体在群空间 P3121，I4/mcm 的两种新相，但并没有找到关于立方 ZnO2的新相序列。ZnO2是典型的 IIB-VIA 族固体，在标准压强下 ZnO2晶体是六方纤锌矿结构 B4（Z=2，P68mc）。在 2012年Feng.G P 等人研究了 ZnO2晶体在 80-120℃的水热合成纳米晶体技术拥有诸多优点。A.Bouibes 和 A.Zaoui在2015年七月对ZnO系统在1 atm,50GPa,100GPa,150GPa,200GPa状态下进行系统结构的预测， 研究人员发现表面突出的结构分解的吉布斯自由能与其他位置的化合物结合，可以的到一个新的热力学稳定结构[3]。源`自,优尔.文;论"文'网[www.youerw.com这些发现在 ZnO2结构和性质上的发现对 ZnO2在化工、航天、医药、能源等领域的应用有着重大的影响[4-9]。