高压下有机材料的结构和性质研究

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材料研究的进程不断加快,对材料性能的需求也不仅仅满足于常规条件下。极端条件如高温、强压下材料的性能研究正在成为热点。本文的研究基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,使用计算机软件进行理论模拟计算。分别对间氨基苯甲酸晶体、4-硝基苯乙酸晶体和1,2-双(甲氨基)苯(以下简称2-Bis晶体)进行高压下理论模拟计算,分析三种晶体在高压下晶体结构、电子性质和光学性质的变化,主要研究内容如下:通过分析不同压力下间氨基苯甲酸晶格常数、键长键角的变化,发现晶体结构在压缩时存在各向异性;原子C4(P3)和C1(P4)在150GPa时形成新的共价键,随后在160GPa断开,说明在高压下晶体结构的不稳定性。然后对间氨基苯甲酸带隙和态密度进行分析,结果表明晶体的电子性质在100GPa时由半导体相转变为金属相,并在150-250GPa的压力范围内保持金属相。最后,对间氨基苯甲酸光学性质的研究发现,随着压力的增加,折射率增加、最大的能量损失峰向高能区移动,从吸收光谱发现在70GPa和270GPa晶体出现两个明显的结构转变。对4-硝基苯乙酸晶体在0-300GPa压力范围内的结构、电子和光学特性的变化分析,发现晶体在高压下经历了复杂的转变。原子C8(P1)和C7(P2)之间多次的成键断键说明在高压下晶体结构的不稳定。120GPa时,4-硝基苯乙酸晶体的带隙达到了最小值0.4e V。此外,对4-硝基苯乙酸晶体光学性质的研究发现,4-硝基苯乙酸晶体的光学活性随着压力的增加而升高,260GPa主峰的吸收系数几乎是0GPa主峰的2倍。随着压力的增加,折射、反射效果更好,介电函数表现出各向异性,光电导率和最大的能量损失峰均向着高能区移动。对2-Bis晶体在0-300GPa压力范围内的晶格常数、键长键角的分析发现,在170GPa时,原子C7(P2)和C5(P3)形成新的共价键,随后在200GPa断开,而在200GPa处,原子C1(P3)和N2(P4)之间形成共价键,原子之间相反的成键断键变化表明晶体在该压力下发生了较明显的结构转变。通过对带隙和态密度的分析发现,2-Bis晶体在130GPa时由半导体相转变为金属相,随后又恢复半导体相,并在240GPa再次转变为金属相。反复的相变表明2-Bis晶体在高压下结构变得不稳定。最后,对2-Bis晶体的光学性质的研究发现,随着压力的增加,折射率有所增加,反射谱展宽,光电导率和最大的能量损失峰向着高能区移动,从吸收光谱中发现,2-Bis晶体的光学活性随着压力的增加而升高,250GPa主峰的吸收系数几乎是0GPa主峰的2倍。
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