ZnO多相高压熔化曲线和状态方程的模拟研究

ZnO是典型半导体材料，也是存在于地壳的矿物质，其多相高压熔化线和状态方程的计算是材料科学、凝聚态物理和地球物理等多学科交叉领域的一个具有重要意义的研究课题。本项目在依据价键特征构建相互作用势模型的基础上，拟采用经典分子动力学模拟方法，系统地研究ZnO的多相高压熔化行为和P-V-T关系，获取多相结构的ZnO的高压熔化规律认识以及宽温度压力区域的状态方程。本项目研究结果有助于深化对半导体材料和地矿物质热物理特性的理解，得到的熔化数据可以丰富人们对有关固-液相变基础物理问题的认识，能为动高压和静高压实验预估提供参考，此研究还可以为其他II-VI族半导体材料ZnS、ZnSe、ZnTe的多相高压熔化特性和热状态方程的类比研究提供科学依据。

宽禁带半导体材料ZnO的高压物性研究是凝聚态物理领域的一个基础课题，其在高温高压条件下的结构相变规律及状态方程研究对于凝聚态物理、材料科学等学科领域来说，意义特殊，富具挑战性。本项目利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了多相ZnO的高压结构特征，得到了纤锌矿（B4）、闪锌矿（B3）、岩盐（B1）和氯化铯（B2）结构在静水压下的固-固相变物理图景，确定了B4→B1→B2和B3→B1→B2两组相变路径及B4→B1、B3→B1和B1→B2三个相变压力。在此基础上，项目采用经典分子动力学方法结合壳层模型模拟研究了ZnO材料B3和B1两个亚稳结构的高压熔化曲线，并和同为地壳矿物质的MgO、MgF2、NaCl等的熔化行为在0—10GPa的低压段作了比较，讨论了不同作用势参数模型对典型金属化合物熔化特性的影响。本项目熔化研究的一个重要发现是同为第三代代表性半导体材料的ZnO和GaN的过热熔化温度修正存在相关性，即可通过ZnO的过热率修正获得GaN的熔化温度，这为半导体材料高压熔化特性研究提供了新思路。本项目利用基于密度泛函理论的第一性原理方法并结合准谐徳拜模型，研究了ZnO材料B1相压力达242GPa和B3相压力达7.45GPa、温度各达2000K的重要物态方程参量—体积、等温体模量及其对压力的一阶和二阶导数随温度和压力变化的规律。研究结果表明本项目首次预测的高温高压下ZnO立方结构等温体模量对压力的一阶和二阶导数并非物态方程研究中所假定的常数：B3相的等温体模量对压力的一阶和二阶导数随温度的增加而增加，随压力的增加逐渐减小，高温对其的影响和低压对其的影响相当；B1相等温体模量对压力的一阶导数当压力高于100GPa时可忽略温度的影响，等温体模量对压力的二阶导数当压力高于40GPa时趋近于常数。另外项目考虑ZnO热力学性质与晶格振动的关系，通过计算声子谱获得了ZnO已获实验证实的B4、B3、B1结构温度达1500K的热膨胀、定容热容、定压热容等相关热力学性质，总结了这些热力学参量随温度和压力变化的规律性认识，并对这以上三种结构的电子和光学性质进行了可靠预测研究。本项目研究结果有助于深化人们对固-固相变、高压熔化等基础物理问题的认识，同时为物态方程研究及动高压和静高压实验预估提供了必要的参考数据。