摘  要:对碳化物的结构、动力学和电子特性的研究是材料科学和凝聚态物理领域研究热点。本文利用基于遗传算法的结构预测方法探讨了Al-C系统在高压下的新型化合物。研究结果表明存在两种化合物Al4C3和Al2C；弹性常数计算证实了两种化合物的力学稳定性；Al2C具有金属特性；在0GPa下Al2C为亚稳态，在30GPa 下是热动力学稳定的；Al4C3 是间接带隙半导体，在0GPa下即是热动力学稳定的。

该论文有图5幅，表5个，参考文献19篇。

关键词：Al-C化合物  稳定性  第一性原理  电子特性

Novel Chemistry of Aluminum Carbides Under Pressure and Electronic Properties

Abstract:The research of structure,dynamics and electronic properties of carbide has been a hot point in the material science and condensed matter physics. This paper intends to use the structure predicted method based on genetic algorithm to discuss the new compounds of Al-C system under high pressure. The research results show that there are two kinds of compounds Al4C3 and Al2C; the calculation of  elastic constants confirmed the mechanical stability of two kinds of compounds; and Al2C has the characteristics of the metal,in the 0GPa Al2C is in metastable state,in 30 GPa is the thermodynamically stable,while Al4C3 is indirect bandgap semiconducting,which is thermodynamically stable under 0GPa.

Key Words: Aluminum carbides  stability  first-principles  electronic properties

目  录

摘要-Ⅰ

Abstract--Ⅱ

目录-Ⅲ

图清单-Ⅳ

表清单-Ⅳ

1 绪论1

1.1引言-1

1.2研究背景-1

1.3研究内容-2

2 研究方法2

2.1第一性原理-2

2.2密度泛函理论-3

2.3能带理论-5

2.4弹性常数-5

3 Al-C二元化合物结构和力学性质--6

3.1热动力学稳定性分析-7

3.2力学稳定性分析-7

3.3结构特性-9

4 Al-C二元化合物的电子特性-11

4.1 Al2C结构的电子特性11

4.2 Al4C3结构的电子特性--11

5 结论13

参考文献14

致谢-16

图清单

图序号 图名称 页码

图3-1 不同压力下Al-C二元化合物的凸胞图 7

图3-2 (a)Al (b)石墨 (c) 金刚石 (d)Al2C (e)Al4C3晶体结构图 9

图3-3 P-3m1 Al2C的能带结构和分波态密度

图3-4 R-3m Al4C3的能带结构和分波态密度 12

图3-5 (a) 0GPa (b) 30GPa (c) 60GPa 下 Al4C3的能带结构 13

表清单

表序号 表名称 页码

表3-1 原始六角结构独立弹性常数和力学稳定性标准 8

表3-2 30GPa下Al2C的独立弹性常数 8

表3-3 斜方面心六角结构独立弹性常数和力学稳定性标准 8

表3-4 0GPa下Al4C3的独立弹性常数 9

表3-5 Al-C化合物晶体结构参数 10

1 绪论

1.1 引言

随着科技进步以及材料科学的发展，我国在新材料方面有了一些突破进展，这些材料的研究与我国高新技术产业的持续发展有着密切的关系[1]。高压下的结构相变是当今凝聚态领域的一大热点课题，受到广大研究工作者的关注。Al是自然界中最常见的金属单质，在工业生产中具有广泛的应用。研究表明，通常情况下C和Al难以在自然混合的情况下发生反应。在常压下，Al4C3是Al-C平衡相系中唯一存在的一种化合物，目前在实验上可以通过多种方法与技术制备出Al4C3，它是一种黄褐色粉末。由Al4C3制造的棒材具有良好的高温性能，能够使合金材料的抗张强度增加，同时，在构建类似碳纳米管的微观结构时，Al4C3结构能够作为制作的模板，最近研究表明，一维Al4C3纳米线被认为是一种有前景的场发射冷阴极材料之一，纳米硬质合金是一种潜在的功能材料[2-5]。

高压下对化合物的研究，是凝聚态物理领域中研究热点。高压下可能导致新型化合物的产生，会使物质发生复杂的晶格结构相变，而晶体的键长、键角等的改变将使化合物表现出丰富的物理性质。由于高压相变会表现出丰富的物理行为，本课题旨在探讨新型化合物的电子特性，便具有一定的研究意义与理论价值。而本文对Al-C二元化合物的性质分析对今后实验上的研究具有一定的参考价值。