氮化硅作为一种性能优异的陶瓷材料,具有密度低,硬度高,耐磨损,导热能力强等优异的物理性能以及抗氧化性,抗腐蚀性(尤其是除了HF外的无机酸)的高化学稳定性能等,因此在机械、电子等众多领域占据了重要的地位。
目前关于氮化硅的研究已取得了丰硕的成果,文怀兴等人研究了氮化硅陶瓷轴承润滑技术,张传伟研究了以球磨法在氮化硅表面制备MOS2模,处理氮化硅陶瓷表面还有离子注入法、热喷涂法、激光刻蚀技术、溶胶-凝胶技术等。徐彬构建了β-Si3N4表面模型并对表面能进行计算,潘洪哲采用超软赝势的方法分析了β-Si3N4的电子结构和光学性能,孙美在不同压力下比较了氮化硅多个结构的性能。
本文采用Materials Studio软件中基于DTF的CASTEP模块对β-Si3N4进行建模和结构优化,采用模守恒平面波赝势方法对β-Si3N4模型的力学性质、动力学性质、热力学性质进行了计算和分析。
β-Si3N4建模与结构优化
β-Si3N4属于空间群C6h,原胞(Si6N8)包含了2个Si3N4分子,堆垛次序可以表示为ABAB。本文应用Materials Studio软件中的CASTEP模块对β-Si3N4进行建模和优化,优化内容包括晶格参数和原子坐标。优化前的晶胞参数为a=b=7.637A,c=2.922A,α=β=90°,γ=120°,采用模守恒赝势方法,在倒易K 空间中,平面波截断能通过收敛性测试可定为500eV,交换—关联能采用的是局部密度近似修正(GGA-PBE),通过测试可设定K点网格:4×4×12. 采用BFGS算法对β-Si3N4晶体进行结构优化,原子价电子中参与计算的为N 2S22P3、Si 3S23P2。
优化后的晶胞参数为a=b=7.705627A ,c=2.943081A,α=β=90°,γ= 120°.图1 为优化前后模型对比,Si-N键长发生变化,键角不变,结构优化后原子的坐标位置有所调整,优化过程按照最低能量方向进行,使得氮化硅结构更加稳定合理。
计算与分析
本文主要基于密度泛函理论的CASTEP模块进行建模计算,分析了β-Si3N4的力学性质、动力学性质、热力学性质。
2.1 力学性质
关于六方晶系,独立的弹性常数有5个,判断晶体的力学稳定性,根据Born-Huang标准要求:
总结
本文主要选取了β-Si3N4作为研究对象,采用Materials Studio 软件中的CASTEP模块来进行建模。计算得到了5个独立的弹性常数,根据Born-Huang标准,证明了β-Si3N4满足力学稳定性,并且计算了弹性模量,判断β-Si3N4为脆性材料以及在各个方向上的抵抗弹性形变能力;计算得到了声子谱和声子态密度,通过声子谱中不存在虚频判断其满足动力学稳定性,分析了单个原子的声子态密度对总态密度的贡献;计算得到了熵、焓、自由能以及热容量,分析β-Si3N4的热力学性质。
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