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虚晶近似法研究AIN-Al2O3固溶体系的力学性能和电子结构

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王颖, 卢铁城, 王跃忠, 岳顺利, 齐建起, 潘磊. 2012: 虚晶近似法研究AIN-Al2O3固溶体系的力学性能和电子结构, 物理学报, 61(16): 383-390.
引用本文: 王颖, 卢铁城, 王跃忠, 岳顺利, 齐建起, 潘磊. 2012: 虚晶近似法研究AIN-Al2O3固溶体系的力学性能和电子结构, 物理学报, 61(16): 383-390.
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2012: Investigation of the electronic and mechanical properties of Al2O3-AlN solid solution by virtual crystal approximation, Acta Physica Sinica, 61(16): 383-390.
Citation: 2012: Investigation of the electronic and mechanical properties of Al2O3-AlN solid solution by virtual crystal approximation, Acta Physica Sinica, 61(16): 383-390.
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虚晶近似法研究AIN-Al2O3固溶体系的力学性能和电子结构

  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都,610064

  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都610064 中国科学院国际材料物理中心,沈阳110015

  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都610064 四川大学物理系 高能量密度与物理技术教育部重点实验室,成都610064

Investigation of the electronic and mechanical properties of Al2O3-AlN solid solution by virtual crystal approximation

  • 摘要: 基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，运用虚晶近似方法计算了AlN—Al2O3固溶区内尖晶石相氮氧化铝（Al24O24N8，Al23O27N5和Al22O30N2）和a—Al2O3，AlN的力学性能和电子结构．结果证明虚晶近似法应用到氮氧化铝结构计算中是可行的．力学常数计算结果和弹性模量B，剪切模量G，杨氏模量E反映的材料硬度变化趋势与实验基本一致；Al2O3-AlN固溶区内五种结构均为脆性性质且Al23O27N5脆性最低，硬度高、脆性低的特性反映了Al23O27N5优异的抗弯强度性能．五种结构满足力学结构上的稳定性，立方尖晶石相氮氧化铝表现为弹性各向异性．能带和态密度的计算分析表明这五种结构均为直接宽带隙结构．在费米能级附近，氮氧化铝结构中阴离子的2p态和阳离子的3s，3p态发生了轨道杂化．理论结果与实验数据基本符合，为进一步研究提供了一定的理论方法和依据．
    Abstract: Based on the density functional theory within plane-wave pesudopotential method, the band structure and elastic properties of spinel Al（64＋x）/3[ ]（8-x）/3O（32-x）Nx （x = 2, 5, 8） and a-Al2O3, AlN are calculated. The spinel Al（64＋x）/3[ ]（s-x）/3O（32-x）Nx （x = 2, 5, 8） are calculated by using the ＇virtual crystal approximation＇. The results prove it possible to study the Al（64＋ x）/3[ ]（s-x）/3O（32-x）Nx （x = 2, 5, 8） by this approximation. The calculated elastic constants and hardness features accord well with the experimental results. The five structures in the Al2O3-AlN solid solution region all show brittle features and the Al23O27N5 shows the lowest brittleness. High hardness and low brittleness reflect that Al23O27N5 has a great flexural strength. Elastic property analysis confirms the mechanical stability, it also reveals that AlON has highly elastic anisotropy. Band structure analysis shows that the spinel AlON and a-Al2O3, AIN are both direct bandgap materials. Hybridizations take place between Al-3p, 3s and O, N-2p orbitals near the Fermi level in the AlON. The calculated results are consistent with relevant experimental results, which provides a theoretical method and reference for the further study.
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出版历程
  • 刊出日期:  2012-08-30

虚晶近似法研究AIN-Al2O3固溶体系的力学性能和电子结构

  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都,610064
  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都610064 中国科学院国际材料物理中心,沈阳110015
  • 四川大学物理系 辐射物理及技术教育部重点实验室,成都610064 四川大学物理系 高能量密度与物理技术教育部重点实验室,成都610064

摘要: 基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，运用虚晶近似方法计算了AlN—Al2O3固溶区内尖晶石相氮氧化铝（Al24O24N8，Al23O27N5和Al22O30N2）和a—Al2O3，AlN的力学性能和电子结构．结果证明虚晶近似法应用到氮氧化铝结构计算中是可行的．力学常数计算结果和弹性模量B，剪切模量G，杨氏模量E反映的材料硬度变化趋势与实验基本一致；Al2O3-AlN固溶区内五种结构均为脆性性质且Al23O27N5脆性最低，硬度高、脆性低的特性反映了Al23O27N5优异的抗弯强度性能．五种结构满足力学结构上的稳定性，立方尖晶石相氮氧化铝表现为弹性各向异性．能带和态密度的计算分析表明这五种结构均为直接宽带隙结构．在费米能级附近，氮氧化铝结构中阴离子的2p态和阳离子的3s，3p态发生了轨道杂化．理论结果与实验数据基本符合，为进一步研究提供了一定的理论方法和依据．

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