材料方向研究生开题报告

西安电子科技大学2009级硕士研究生开题报告研究题目：MgAl2O4和γ-ALON介电性质的第一性原理计算报告人：陈启超导师：张显2010.12.25SchoolofTechnicalPhysicsXidianUniversity,Xi’an710071,China2.研究现状3.研究内容及方法5.可行性分析6.论文进展安排1.选题背景4.创新点报告内容2009级硕士研究生开题报告1.选题背景1.尖晶石透明材料的性能及研究进展2.实验研究的局限性3.课题研究的意义及来源2009级硕士研究生开题报告1.选题背景1.透明多晶尖晶石材料的性能及应用性质：•耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击、高硬度、高强度•良好的电绝缘性能•而且还具有与白宝石单晶体相近的光学性能•在紫外、可见光、红外光波段具有良好的光学透过率应用：•整流罩•天线罩•微波基板•绝缘支架•红外导弹的窗口•激光装置光学材料•红外发生器管壳•红外透镜及其它高温窗2009级硕士研究生开题报告1.选题背景2009级硕士研究生开题报告[1]YamaguchiG.JCeraAssocJapan,1947,55:42244国外：•1947年,Goro等[1]首次在文献里提到还原氧化铝尖晶石相。•1974年,McCauley他针对Si3N4-AlN-Al2O3材料结构的研究[2]提出了“常数阴离子”模型(constant2anionmodel)。•目前已在军用飞机和导弹的圆顶，透明装甲，红外窗口，超半球形圆顶，激光窗口，军用飞机的镜头，半导体加工等广泛应用。国内：•与国外研究相比,国内的研究起步较晚,仍然处于较低的水平。还仅限于实验室的研究阶段,离实际应用尚有较远的距离。1.国内外研究进展[2]SullivanRM.AhistoryviewofALONTM[J].ProcofSPIE,2005,5786:23-32.美国Surmet公司生产的AlON成品1.选题背景2009级硕士研究生开题报告1.实验研究的局限性传统方法制备新材料要通过大量实验，寻找规律，确定最佳性能不仅费时、费力而且带有较大的经济消耗，同时，受实验条件的局限性，对材料微观结构演变的影响规律得不到很好的解释，而这正是影响材料性质改变的本质原因。实验方法:优点：直接,研究范围广；缺点：需要材料实体，周期长，费用高理论计算:优点：可对尚未制备出来的新材料进行研究，从微观上揭示材料结构与性质的关系；周期短，节约成本缺点：目前研究的材料体系较窄1.选题背景2009级硕士研究生开题报告3.课题研究的意义及来源本课题通过对MgAl2O4和ALON介电性质的第一性原理计算，为部分尖晶石材料的研制提供参考，以期为透波材料的实验研究提供一定的指导，促进透明尖晶石材料在各个领域的产业化发展。本课题将得到国家自然科学基金资助项目（50802076）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2009JM6003）；凝固技术国家重点实验室（西北工业大学）自主研究课题资助项目（65-TP-2011）的支持。2.研究现状2009级硕士研究生开题报告1.材料计算理论的研究现状1.晶格动力学理论2.晶体振动光谱学理论3.密度泛函理论Born-Oppenheimer近似：将固体整体的平移、转动和核的热运动分离出去；考虑电子运动时，将坐标系原点设定在固体的质心，同时固定原子核的位置；考虑核的运动时则不考虑电子在空间的具体分布，绝热近似。Hartree-Fock近似：在得到多电子体系的薛定谔方程之后，如果完全忽略电子—电子相互作用，每个电子的状态可分别用一个单电子波函数ψi(xi)来表述。又称为单电子近似。晶格动力学：研究晶体中原子的振动性质，为解释晶体材料的红外光谱和拉曼光谱提供了重要的工具。3.群论2.研究现状2009级硕士研究生开题报告1.材料计算理论的研究现状1.晶格动力学理论2.晶体振动光谱学理论3.密度泛函理论电磁辐射与晶体相互作用的电磁理论：描述光波与晶体介质之间的相互作用，解释晶体对光波的共振选择吸收，形成晶格振动和红外吸收光谱的原因。电磁辐射与晶体相互作用的量子理论：它是处理多体问题的有效方法，分别考虑晶格振动和电磁波的量子化，对红外吸收和拉曼散射进行量子力学处理。晶格振动的拉曼光谱：主要研究晶格引起的频率改变的非弹性散射光。晶体振动的红外反射光谱：3.群论2Tri22T()i(-)+is（）=22LO,mTO,m02mTO,m=+2.研究现状2009级硕士研究生开题报告1.材料计算理论的研究现状1.晶格动力学理论2.晶体振动光谱学理论3.密度泛函理论Hohenberg-Kohn密度泛函理论：将能量当做电子密度的泛函，用变分法和自洽场方法求电子密度和体系的能量，这一方法称为DFT。Kohn-Sham方程:1965年，Kohn和Sham提出了体系的能量表达式：LDA与GGA：将体系划分为许多微元，在微元足够小的情况下可以认为其中的电子云密度是均匀的，可以近似为均匀电子气。赝势：采用一个假想的势函数来代替内层电子和原子核势场，则相应的波函数变为平滑的赝波函数，减少了所需平面波数目，从而简化了计算。3.群论[()][()][()]eerxcETrVrVEr2.研究现状2009级硕士研究生开题报告1.材料计算理论的研究现状1.晶格动力学理论2.晶体振动光谱学理论3.密度泛函理论3.群论有限群的矩阵表示点群的不可约表示空间点群不可约表示的特征标表2.研究现状2009级硕士研究生开题报告2.已有的研究经验第一性原理计算BN的红外光谱Y2O3介电性质的第一性原理研究及透明陶瓷制备第一原理计算波恩有效电荷和钛酸铋铁电自发极化[5]AmritenduRoy,RajendraPrasad,SushilAuluck.et2010J.Phys.:Condens.Matter221-10[4]XianZhang,WenchuangWang,QingfengZeng,HuiLi.2010.SolidStateCommunications.150360-363[3]YongqingCai,LitongZhang,QingfengZeng,LaifeiCheng,YongdongXu.2007.SolidStateCommunications141262–2663.研究内容及方法2009级硕士研究生开题报告1.建立合适模型2.计算3.对照实验和理论结果1．建立并优选MgAl2O4和γ-AlON材料晶胞、表面{（100）、（110）和（111）}和团簇（Cluster）的模型2．建立γ-AlON（100）、（110）和（111）表面和各种晶胞的空位（氧空位）和掺杂（氧离子置换离子，氮原子置换氧离子造成空位，Al空位位于一个八面体协调间隙位置,四周被氧原子所包围,而氮原子则有序排列。3.研究内容及方法2009级硕士研究生开题报告1.建立合适模型2.计算3.对照实验和理论结果γ-AlON是唯一一种潜在的、具有广泛应用前景的氧氮化铝材料，后来简称AlON。指用氮稳定的立方氧化铝(γ-Al2O3)，晶体结构为立方面心格子结构。AlON也可看成是AlN和Al2O3的固溶体，其组成可用Al(64+x)/3口(8-x)/3O32-xNx(口为阳离子空位)来表述。在(γ-Al2O3中，Al阳离子存在空位，当氧阴离子逐步被氮代替时，附加的Al阳离子则出现空隙，而x=5时是稳定的，即用氮代替5个氧阴离子，从而每个单位晶胞都可能附加5／3个Al阳离子，并使离子空位数降低到1。因此，氧氮化铝的准确公式[11]为：Al23O27N5[11]云斯宁等.耐火材料2003.37（3）173-1763.研究内容及方法2009级硕士研究生开题报告1.建立合适模型2.计算3.对照实验和理论结果计算时先对模型进行结构优化，静态势能面扫描和单点能的计算，其次计算出每个原子受到的作用力，调节原子位置和晶胞参数，最终取得稳定的晶体结构，然后再计算其Γ点频率和波恩有效电荷。本次计算是基于密度泛函理论的第一性原理方法,利用了美国Accelrys公司MaterialsStudio软件中的量子力学模块CASTEP[7]软件包完成。使用第一原理正则守恒(Norm-conserving)赝势，分别采用Ceperley-Alder局域密度泛函(LDA)和广义梯度近似(GGA)泛函形式，经过收敛测试，两者的平面波能量截断值均为800eV，K点取样均选用3×3×3的Monkhorst-pack网格。3.研究内容及方法2009级硕士研究生开题报告1.建立合适模型2.计算3.对照实验和理论结果结合实验值分析计算结果，处理计算数据，得出相应结论4.创新点2009级硕士研究生开题报告国内外尚无关于第一性原理计算AlON固溶体介电性质的报道，课题首次对MgAl2O4以及γ-AlON（N5O27Al23）的介电性质进行第一性原理的研究。5.可行性分析2009级硕士研究生开题报告MgAl2O4原胞模型γ-AlON晶体模型5.可行性分析2009级硕士研究生开题报告MgAl2O4平面波能量截断值和K点取样值MgAl2O4优化后的结构参数与实验值的对比参数实验值[6]计算值V(Å3)529.6528.1α(Å)8.0938.083D(Å)3.585.可行性分析2009级硕士研究生开题报告[6]FingerLW,HazenRM,HofmeisterAM.High-pressurecrystalchemistryofspinel(MgAl204)andmagnetite(Fe3q);Compafi—sonswithsilicatespinels.PhysicsandChemis—tryofMinerals,1986,13:215～220．Oh7点群不可约表示特征表OhE3C28C36C´26C4I3σh8S66σd6S4T1u3-10-11-3101-1T2u3-101-1-310-11T2g3-101-13-101-1T1g3-10-113-10-11Eu22-100-2-2100Eg22-10022-100A2u111-1-1-1-1-111A1g11111111115.可行性分析2009级硕士研究生开题报告MgAl2O4Г点简正模对称性分类位于布里渊区中心的对称点的符号为Γ，原胞内包含14个原子，所以有42个振动模，除3个频率为0的声学模，其余39个为光学模。通过对称分析，可以将Γ点的声子模划分为：Γacoustic=T1uΓoptic=4T1u(IR)+A1g(R)+Eg(R)+3T2g(R)+T1g(S)+2A2u(S)+2Eu(S)+2T2u(S)其中：IR表示红外活性模(infraredactivemode)，R表示拉曼活性模(Ramanactivemode)，S表示哑模式(silentmode)。Tu，Tg为三重简并模，Eg和Eu是双重简并模，Ag和Au为单重简并模。对于正常尖晶石有5个拉曼活性模，和4个红外活性模。5.可行性分析2009级硕士研究生开题报告5.可行性分析2009级硕士研究生开题报告A1g(R)Eg(R)T2g(R)T1u(IR)文献765406301528639298463562661本次计算410311492611305428485670[7]767407312666304476578676[8]769410310490688308494569676[9]309522580688[10][7]TropfWJ，ThomasME。HarisTJ．Proper—tiesofcrystalsandglasses：HandbookofOptics，Devises，MeasurementsandPropertiesSecondEdition．Ne、Ⅳ-York：McGraw-Hill.1995，Chapter33．[8]ChopelasA，HofmeisterAM．VibrationalspectroscopyaluminatespinalsandofM