α相氮化硅的高压物性研究

作     者：雷金桥 

作者单位：四川师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓林

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：高压 α相氮化硅 红外光谱 第一性原理 相变 弹性模量 

摘      要：氮化硅材料在基础科研和工业应用中的特性而吸引着愈来愈多科研工作者和工业界的关切。例如在光电子工业界氮化硅材料就被看做是有广泛应用价值的半导体,在航天工业、新型陶瓷材料工业、机械制造、核工程、发动机等工业界都有着巨大的潜在应用价值,这是由于氮化硅材料的硬度较高、化学性质比较稳定、力学性能好、耐腐蚀性较好等特质。氮化硅材料在常温常压条件下有两种同质异相体,即α相氮化硅和β相氮化硅,这两个相都为六角晶系,人们通常认为α相的氮化硅处于亚稳态,β相氮化硅才是氮化硅的低温相。压力、温度与化学组分(P-T-X)是决定物质结构和存在状态的基本热力学条件。压力作为三个重要的独立热力学参量之一,在材料制备和研究方面的作用正逐渐地引起人们的高度重视。Zerr等人[Nature 340,(1999)400]首次通过高压实验合成了氮化硅的第三种同质异相体,即为γ相氮化硅,隶属立方晶系。大量理论表明:材料固有的宏观特性取决于材料本身的微观尺度下的晶体结构,是以,对样品的基本结构的研究是研究其在极端条件下宏观性能的基础。在本文工作中第一部分介绍氮化硅材料的研究背景和意义;第二部分介绍α相氮化硅的实验表征手段和理论计算方法,以及理论计算模拟所用的CASTEP模块和吉布斯(GIBBS)软件;第三部分介绍α相氮化硅的实验结果,包括X-Ray衍射仪产生的光谱图,对X-Ray衍射数据进行Rietveld分析利用GSAS软件确定其精细晶体结构,借助扫描电子显微镜(SEM)观测实验样品的表面形貌,高压下(0～22 GPa)的傅立叶变换红外(FT-IR)光谱为α相氮化硅样品的相变提供光谱学证据,在实验过程中,压力由金刚石对顶砧提供;第四部分介绍α相氮化硅的理论计算结果,即在0到30 GPa下的晶体结构、电子结构、力学以及热力学性质的研究;第五章是对本项工作的结论与展望。主要研究成果如下:X-Ray衍射(XRD)和GSAS结构精修用于表征α相氮化硅样品。对XRD数据的Rietveld分析证实样品属于六角晶体(空间群:P3lc,No:159)。GSAS精修的结构参数与可用的理论和同步辐射实验结果相一致。然后,用金刚石对顶砧(DAC)研究了α相氮化硅在22 GPa下的红外(IR)光谱。同时,本工作观测了在温度296.3 K和环境压强2 hPa条件下的红外吸收光谱(观察范围从400cm-1到12500cm-1),我们观察到了 23个IR活性峰。高压和室温(296.3 K)下的归一化FT-IR吸收光谱表明,α相氮化硅在16.25 GPa处发生相变,从六方相变为立方相,即γ-Si3N4,这非常接近于理论计算的结果,即六方相变为立方相的相变压力为15.66 GPa。此外,通过第一性原理计算研究了在零温下α相氮化硅在0到30 GPa范围内的材料凝聚态物性。电子结构计算表明,α相氮化硅是具有4.611 eV的宽带隙的间接半导体。在高压下压力会使电子的运动自由度大大降低,带隙逐渐增加,从而反映出α相氮化硅有从半导体成为绝缘体的趋势。由六角晶系的力学稳定性条件判断,通过理论计算预测在零温下0到30 GPa的范围内α相氮化硅是力学稳定的。此外,计算的B/G 比值表明在零温下α相氮化硅在0 GPa～10 GPa下具有脆性,并且在10 GPa～30 GPa的范围内开始倾向于延展性。根据准谐德拜模型,本文研究了α相氮化硅在高压(0 GPa～30 GPa)高温条件下的热力学性质。