四方ZrO2彈性常數、電子結構和光學性質的第一性原理計算

劉其軍 劉正堂 馮麗萍

(西北工業大學材料學院凝固技術國家重點實驗室,西安 710072)

ZrO2是一種重要的結構和功能材料,集眾多優異的性能于一身,具有寬帶隙(～5.8 eV),高介電常數(～25),高折射率和抗激光損傷閾值,寬的光譜透明區域,優異的化學、機械及熱穩定性[1-5].同時,還具有高硬度,高強度,高韌性和極高的耐磨性等[6-11],被廣泛用于陶瓷材料、耐火材料、隔熱材料、高k柵介質材料、催化劑、高溫固體電解質和光電器件等領域[12-16].因此,對 ZrO2的實驗研究[17-20]和理論計算[21-25]越來越受到人們的重視.

從晶體學角度看,ZrO2是一種同質異構體,主要以3種晶相存在[26]:單斜相相相.目前,基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢法、離散變分法和團簇嵌入法等已被成功用于研究材料的晶體結構、電子結構、彈性性質及光學性質[27-29].國外對ZrO2進行了大量的理論研究,Milman等[16]采用基于密度泛函理論的CASTEP軟件包計算了壓力作用下四方ZrO2的電子結構和振動性質,Garcia等[30]采用基于密度泛函理論的全電子勢線性綴加平面波法計算了立方、四方和單斜相ZrO2的電子結構和光學性質,此外,Rignanese等[31]和 Dash等[11]也做了相關研究;而國內的相關報道卻相對較少[23-25,32],且主要集中在立方相[24-25]和單斜相[32],對四方相ZrO2的彈性常數和光學性質還未見報道.因此,采用基于密度泛函理論(DFT)的平面波超軟贗勢法計算了四方晶相ZrO2的彈性常數、電子結構和光學性質,并從理論上分析了它們之間的關系,為實驗研究及實際應用提供了理論支持.

1 計算方法和……

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