1、材料是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而新材料則是社會(huì)進(jìn)步的里程碑。由C、N兩種非金屬輕元素構(gòu)成的新材料被廣泛應(yīng)用于化工、材料、電子、生物等多個(gè)領(lǐng)域，如人們熟知的金剛石、富勒烯、氮化鎵等。然而，在對(duì)這些材料的研究過(guò)程中由于實(shí)驗(yàn)條件的限制(如高溫、高壓等)，無(wú)法對(duì)材料的性能進(jìn)行精確的測(cè)量。計(jì)算材料科學(xué)的出現(xiàn)使得許多在現(xiàn)有條件下無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)理論計(jì)算的方式來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。計(jì)算材料科學(xué)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:一方面是從已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)建立

2、數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充；另一方面是通過(guò)理論模型和計(jì)算，設(shè)計(jì)可能具有特殊性能的新材料?；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽矸椒ㄒ蚱洳灰蕾囉诮?jīng)驗(yàn)參數(shù)而成為凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)中的主要研究手段。本論文首先從計(jì)算模擬角度出發(fā)，使用密度泛函理論對(duì)實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)合成的內(nèi)包金屬富勒烯的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行了計(jì)算。接著從材料設(shè)計(jì)的角度出發(fā)對(duì)AlN基稀磁半導(dǎo)體材料和5d過(guò)渡金屬二氮化物超硬材料進(jìn)行了理論研究，尋找和設(shè)計(jì)具有室溫居里溫度和

3、較高硬度的新型功能材料。研究涉及的內(nèi)容包括幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性能和力學(xué)性能等。 采用原子軌道數(shù)值基組對(duì)實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)合成但仍未對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行精確分析的三種富勒烯團(tuán)簇(Po@C60，La@C72和Eu@C72)進(jìn)行了理論研究。探討了內(nèi)包金屬在碳籠中的可能位置，Po原子位于碳籠中心，而La和Eu原子均偏離碳籠中心，靠近C72籠五元環(huán)-五元環(huán)連接處。通過(guò)對(duì)電荷密度、自旋密度及前沿軌道等性能的分析，得出Po原子與碳籠之間沒(méi)有發(fā)生電

4、荷轉(zhuǎn)移且與碳籠之間不成鍵，而La原子與碳籠之間的化學(xué)鍵類型為離子鍵，Eu原子與碳籠之間的化學(xué)鍵為離子鍵和共價(jià)鍵共存的形式。 采用第一性原理計(jì)算，以AlN為基體，研究N空位和Al空位兩種點(diǎn)缺陷以及Mg、Cu、Zn、Pd四種非磁性離子p型摻雜后對(duì)AlN電子結(jié)構(gòu)、磁性的影響，分析磁矩大小及來(lái)源。計(jì)算結(jié)果表明Al空位可以使AlN產(chǎn)生半金屬鐵磁性，磁矩來(lái)源主要來(lái)自于空位周圍的四個(gè)N原子的p軌道。四種非磁性離子摻雜后的體系均具有半金屬鐵磁性

5、，但磁矩大小和來(lái)源有所不同。Al15MgN16和Al15ZnN16的磁矩均為1.0μB，主要來(lái)源于Mg或Zn周圍的四個(gè)N原子的p軌道電子，而Al15CuN16和Al15PdN16的磁矩均為2.0μB，主要來(lái)源于Cu或Pd的d軌道電子與N原子的p軌道電子發(fā)生的雜化作用。四種體系均會(huì)表現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵磁狀態(tài)，它們的居里溫度關(guān)系為Al15CuN16>Al15PdN16>Al15MgN16>Al15ZnN16且都大于350K，具有良好的室溫鐵磁性，

6、有可能成為稀磁半導(dǎo)體的候選材料。 采用第一性原理平面波贗勢(shì)方法系統(tǒng)地對(duì)5d過(guò)渡金屬二氮化物的五種不同晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算。共對(duì)8種化合物(HfN2、TaN2、WN2、ReN2、OsY2、IrN2、PtNz、AuN2)的40種構(gòu)型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能計(jì)算。通過(guò)對(duì)形成熱及彈性常數(shù)的計(jì)算得到:對(duì)于黃鐵礦結(jié)構(gòu)既滿足熱力學(xué)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)又滿足機(jī)械穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的二氮化物為HfN2、WN2和PtN2。對(duì)于螢石結(jié)構(gòu)符合上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二氮化物為ReN2

7、。對(duì)于金紅石結(jié)構(gòu)符合上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二氮化物為T(mén)aN2、WN2、ReN2和OsN2。對(duì)于白鐵礦符合上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二氮化物為HfN2、TaN2、Wn2、OsN2、Irn2和PnY2。對(duì)于含砷黃鐵礦結(jié)構(gòu)，除WN2和AuN2外，均滿足上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。彈性常數(shù)的變化趨勢(shì)表明，從HfN2開(kāi)始，隨著過(guò)渡金屬氮化物原胞中的價(jià)電子數(shù)增加，越來(lái)越多的成鍵態(tài)被價(jià)電子占據(jù)，使得化合物中原子間的束縛增加，導(dǎo)致體彈性模量增加。到達(dá)OsN2時(shí)，成鍵態(tài)趨于添滿，原子間的