过渡金属氮化物第一性原理计算文献综述
- 计算材料学
随着计算机科学与现代计算机技术的发展，计算材料学作为一门新型的多学科交叉的科学得到了迅速的发展与应用。计算材料学最大的特点就是多学科多交叉，主要涉及材料、化学、物理、计算机、数学等众多学科，并对具体的材料、化学、生物、医学等领域的基础研究提供了理论依据。计算材料学的主要目的是通过计算机模拟和设计，对材料的性质例如结构、稳定性以及性能等进行模拟和预测。
传统材料学是一门以实验为主的学科，但是，随着材料科学的不断进步，人们对材料的研究越来越细致化，研究的尺度到达了电子量级，也对极端条件下材料的性质有了更迫切的需求。这样高精度极端情况下的研究对测试以及装置要求极高，研究难度和研究成本都很大。因而仅仅依靠实验手段进行材料合成与性质研究已经很难满足人们的需要。计算材料学得以发展。
计算材料学主要是利用第一性原理研究方法，它包括以Hartree-Fock自洽场计算方法为基础的从头算（ab-initio）方法，以及以密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）为基础的计算方法。第一性原理方法基于固体物理与量子力学理论，不使用任何经验参数，只根据电子质量、质子质量、光速等少数参数，模拟电子运动状态，进一步求解薛定谔方程以得到准确的体系基本性质。基于密度泛函理论的第一性原理方法，理论工作者开发出了许多成熟的程序代码，例如Materials Studio、VASP、Wien2K、Quantum-Espresso、Elk、SIESTA等。这些程序代码以及软件的出现促进了第一性原理方法在计算材料科学领域的应用，成为现代计算材料科学探索物质的重要手段。
- 过渡金属氮化物
过渡金属和轻元素（B、C、N、O）形成的过渡金属化合物作为一种很重要的材料，长期以来得到了广泛研究与应用。在过渡金属化合物中，过渡金属氮化物是一类特殊的材料。相对于过渡金属硼化物，氮化物具有相对较高的熔点、极高的化学稳定性、耐腐蚀性以及高硬度。相对于过渡金属碳化物，氮化物又具有较强的共价性，并容易形成半导体材料。过渡金属氮化物特殊优异的性质使其成为了研究热点。
氮元素在这四种轻质元素中原子半径最小，但电负性仅次于氧元素。由于氮的基态物质是氮气，它是由N = N三键结合形成的，键能高达946KJ/mol，因而具有极为稳定的物理与化学性质，通常情况下很难与其它物质发生反应[1]。但是在某些特殊的条件下，氮气会与其他物质发生化学反应，并生成对应的氮化物。在众多的氮化物中，过渡金属氮化物作为非氧化物陶瓷材料，兼具了过渡金属与陶瓷基质的双重性质。由于其具有特殊的物理与化学性能，包括高硬度[2]、高溶点[3]、耐腐烛[4]、超导性[5]、光致发光性[6]以及各种优异的磁学性质[7]等，引起了人们对其理论和实验的广泛研究。
过渡族金属氮化物通常情况下是在高温常压或者高温高压下合成出来的，常见的过渡金属氮化物主要有HfN、TiN、ZrN等。目前研究较多的有IVB、VB和VIB族的过渡金属氮化物三种，以面心立方或者六方堆积结构为主。氮原子占据立方或者六方结构的间隙位置，组分可以在一定范围内变化，形成非计量间隙化合物。过渡族金属原子的d层电子轨道互相重叠，呈现与金属类似的导电性质，且固态下材料表面一般呈现出金属光泽，因此过渡金属氮化物又被称之为金属型氮化物。
目前，过渡金属氮化物在工业上有了广泛的应用，应用领域包括切削加工领域[8]、催化领域[9]、电子和光电器件领域[10]、核燃料领域[11]等。
在切削加工领域，过渡金属氮化物常被用作工程结构、超硬、耐高温和防腐烛材料，由于其具有超强的硬度、耐磨性与耐腐蚀性。金刚石一直以来都是超硬材料的代表，碳单质的电子结构[12]赋予了其优异的力学性质。而BN[13]材料与金刚石材料类似，晶格中的B原子与N原子的共价键结合存在有sp2和sp3两种杂化方式，因而B-N键与碳单质中的C-C键类似，具有较强的键能。目前的研究资料已经证实，C-BN(立方)是具有本征超硬特性的物相，其密度和硬度都很高，硬度和强度仅次于金刚石。
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