高压下新型富硼型5d族过渡金属硼化物的理论研究

Superhard materials have high melting temperature, chemical inertness, and high thermal conductivity, and thus, they are important for industrial applications. In this project, the structural stability and mechanical properties of novel boron-rich borides of 5d-transition metal under high pressure using the first-principle calculations based on density functional theory will be explored, we will get some laws of design new high hardness materials under high pressure. The research content including: We will get the most stable and metastable structures under different pressure conditions, describe the enthalpy-pressure curve; The change law of the bulk modulus, elastic constants and hardness in different pressure, and the influence of the pressure on the material hardness; The relationship between the crystal structures and mechanical properties such as hardness; Electronic properties and dynamic properties of high hardness materials. The results found in this research will provide a new theoretical approach for the design and synthesis of new superhard multifunctional materials.

超硬材料具有较高的熔点、化学惰性和高热导率等性质，在工业领域中有着重要的用途。本项目拟选用富硼型5d族过渡金属硼化物材料为研究目标，利用基于密度泛函的第一性原理方法系统地研究高压下材料晶体结构和硬度等力学性质，获得高压下设计新型高硬度材料的某些规律。研究内容包括：在不同压强条件下对富硼型5d族过渡金属硼化物进行系统的结构预测，获得不同压强条件下的最稳定的结构和亚稳态结构，描绘出焓差曲线图；研究富硼型5d族过渡金属硼化物的体弹模量、弹性常数、硬度等力学性质随压强的变化规律，研究压强对材料硬度的影响；分析材料的微观晶体结构和硬度等力学性质之间存在的定性或定量关联，获得高压下设计新型高硬度材料的某些普适规律；对预言的高硬度材料进行电子性质和晶格动力学性质的研究，探索富硼型5d族过渡金属硼化物成为超硬多功能材料的可能。

超硬材料具有较高的熔点、化学惰性和高热导率等优异性质，在工业领域中有着重要的用途。本项目采用基于密度泛函的第一性原理方法，对富硼型过渡金属硼化物（RhB4、YB3、ScB4）进行了系统地研究，主要内容包括：（1）在不同压强条件下对富硼型过渡金属硼化物进行系统的结构预测，获得不同压强条件下的最稳定的结构和亚稳态结构。（2）研究富硼型过渡金属硼化物的弹性常数、体弹模量、硬度等力学性质随压强的变化规律，确定结构的力学稳定性。（3）通过对不同压强下结构的声子谱分析，确定结构的动力学稳定性。（4）分析材料的成键性质，找出结构稳定与晶体成键之间的定性或定量关联，获得高压下设计新型高硬度材料的某些普适规律。根据上述四个方面内容同时从宏观和微观的角度阐明这些过渡金属硼化物中晶体成键对晶格稳定的影响极其意义。取得的重要结果以及关键数据如下：（1）基于密度泛函的第一性原理方法，我们发现了一种新型的具有正交结构的RhB4，空间群为Pnnm。我们对该新型Pnnm-RhB4的晶体结构，动力学稳定性，力学稳定性以及电子结构展开了深入的研究。计算结果表明：此Pnnm-RhB4在常压下是稳定的。（2）应用基于粒子群优化算法的卡里普索(CALYPSO)晶体结构预测方法，我们发现了两种新型的具有正交结构的YB3，空间群为Cmmm和Pmmm。研究发现，当压强高于31GPa时，Cmmm结构转变为Pmmm结构。此外计算结果还表明Cmmm结构在常压下是力学和动力学稳定的。Cmmm结构中强烈的B-B键是结构稳定和高性能的关键。（3）应用基于粒子群优化算法的卡里普索(CALYPSO)晶体结构预测方法，我们发现了一种新型的具有正交结构的ScB4，空间群为Cmcm。随着压强的增大，大约在18GPa下，Cmcm结构转变为Pnma结构。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对该新型Cmcm-ScB4和Pnma-ScB4结构的晶体结构，动力学稳定性，力学稳定性以及电子结构展开了深入的研究。计算结果表明：此Cmcm-，Pnma-ScB4结构均动力学稳定，并且具有较高的硬度值。因此，ScB4有望成为一种潜在的新型硬质材料。