1、過渡金屬氮化物由于其各種優(yōu)良的性質(zhì)而在工業(yè)方面有廣泛的應(yīng)用并吸引了人們的關(guān)注。過渡金屬氮化物是N元素插入到過渡元素品格中生成的一類化合物，它兼具有共價化合物、離子晶體和過渡金屬的性質(zhì)。過渡金屬元素具有較高的電子密度，而與共價元素N合成過渡金屬氮化物以后更是表現(xiàn)出了各種特殊的性質(zhì)。由于N元素的插入，致使過渡金屬品格擴張，金屬原子間距和晶胞常數(shù)增大，金屬原子間的相互作用力減弱，產(chǎn)生相應(yīng)的d帶收縮修飾和Fermi能級附近態(tài)密度的重新分布，價電

2、子增加，結(jié)構(gòu)也隨之變化。這種變化使過渡金屬氮化物這類化合物具有了獨特的物理和化學(xué)性能。
　　 比如在薄膜材料方面，TiN是一種新型陶瓷材料，具有高硬度、高強度、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震、密度低、耐磨損以及良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能。廣泛用于制備金屬陶瓷、切削工具、模具以及熔鹽電解金屬用電極的襯里材料，電觸點和金屬表面的被覆材料，還可以用作高溫潤滑劑，新一代高級耐火材料等；過渡金屬氮化物制成納米多層膜時，會產(chǎn)生超模量效應(yīng)和超硬效

3、應(yīng)，納米多層膜的力學(xué)性能成為近年來薄膜研究的熱點之一。而在超硬材料方面，金剛石是自然界中已知硬度最高的材料，然而天然的金剛石非常稀少而且人工金剛石的造價很高；立方氮化硼的硬度僅次于金剛石，但自然界中沒有天然立方氮化硼且立方氮化硼的合成較為困難。過渡金屬氮化物由于其高電子密度、過渡金屬元素的d電子與共價元素N的p電子之間的強雜化和小的彈性各向異性，使它們呈現(xiàn)出強的不可壓縮性和較高的硬度。因此最近幾年過渡金屬氮化物成為人們研究超硬材料關(guān)注點

4、。如氮化鉑(PtN2)、氮化鋨(OsN2)以及氮化銥(IrN2)等材料都具有較高的體彈模量(B≥350GPa)和較高的剪切模量(G≥200GPa)。
　　 本文所用計算方法是基于密度泛函理論的投影綴加平面波法(PAW)，計算軟件為VASP。計算中使用廣義梯度近似(GGA)下的PAW勢。結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用共軛梯度算法，所有原子位置充分優(yōu)化到每個離子受力小于5meV/A。平面波的切割能為500eV。計算中選用適當(dāng)?shù)腗onkhorst-Pa

5、ck網(wǎng)絡(luò)，以保證相應(yīng)的不可約布里淵區(qū)中有足夠的k點。彈性常數(shù)是使用應(yīng)力應(yīng)變方法得到的。在所得彈性常數(shù)的額基礎(chǔ)上，使用Voigt-Reuss-Hill(VRH)近似進一步估算出體彈模量、剪切模量。
　　 本論文應(yīng)用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了N缺陷和O摻雜對過渡金屬氮化物Ta3N5的常溫相(Cmcm，63號空間群)和高壓相(Pnma，62號空間群)的影響。文中首先介紹了所用的理論計算方法、密度泛函理論、彈性力學(xué)以及VA

6、SP軟件知識。實驗上已經(jīng)合成了Ta3N5-Cmcm并且報道稱在常壓下其具有最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而Ta3N5-Pnma雖然還沒有在實驗中合成，但有文獻(xiàn)報道Ta3N5-Pnma是一種在高溫高壓下可以合成并且具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。過渡金屬氮化物中產(chǎn)生N缺陷和O摻雜的情況比較常見，而對于Ta3N5的兩個相來說，至今沒有相關(guān)的報道，本文對N缺陷和O摻雜對Ta3N5兩個相的彈性性質(zhì)的影響做了詳細(xì)的研究。我們計算了Ta3N5兩個相的缺陷形成能，結(jié)果表明：若沒

7、有外界給予能量Ta3N5-Cmcm較難產(chǎn)生N缺陷，在壓力5GPa以下Ta3N5-Pnma較為容易發(fā)生N缺陷，在壓力高于5GPa的情況下若沒有外界給予能量Ta3N5-Pnma較難產(chǎn)生N缺陷。在產(chǎn)生N缺陷和O摻雜以后Ta3N5的兩個相依然具有較高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并保持了一定的硬度。通過對比我們可以看出：在產(chǎn)生N缺陷和O摻雜以后Ta3N5的兩個相都保持了一定的穩(wěn)定性，這也說明Ta3N5的兩個相都是穩(wěn)定性較高的材料。
　　 本文還研究了N缺陷

8、和O摻雜對過渡金屬氮化物TaN的常溫相(ε相，189號空間群)和高溫相(δ相，225號空間群)的彈性性質(zhì)的影響。有文獻(xiàn)對TaN兩個相的相變情況進行了分析，但是對于N缺陷和O摻雜對TaN兩個相的彈性性質(zhì)產(chǎn)生的影響并沒有相關(guān)報道。本文對_N缺陷和O摻雜對TaN兩個相的彈性性質(zhì)的影響做了詳細(xì)的研究。我們計算了TaN的兩個相的缺陷形成能，結(jié)果表明：若沒有外界給予能量ε相TaN較難產(chǎn)生N缺陷；而在壓力低于15GPa的情況下δ相TaN的缺陷形成能較