Метод DFT дает представление об электронной структуре, механическом поведении, динамике решетки и дефектных процессах в первых научных исследованиях.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14037 (2022) Цитировать эту статью

1299 доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Здесь мы использовали расчеты теории функционала плотности для исследования некоторых физических свойств первой MAX-фазы Sc2SnC на основе Sc, включая дефектные процессы, для сравнения с таковыми в существующих фазах M2SnC. Рассчитанные структурные свойства хорошо согласуются с экспериментальными значениями. Новая фаза Sc2SnC структурно, механически и динамически стабильна. Sc2SnC представляет собой металл со смесью ковалентного и ионного характера. Ковалентность Sc2SnC, включая M2SnC, в основном контролируется эффективной валентностью. Sc2SnC в семействе M2SnC занимает второе место по шкале деформируемости и мягкости. Уровень упругой анизотропии в Sc2SnC умеренный по сравнению с другими фазами M2SnC. Твердость и температура плавления Sc2SnC, включая M2SnC, соответствуют тенденции модуля объемного сжатия. Как и другие члены семейства M2SnC, Sc2SnC потенциально может быть вытравлен в 2D MXenes и потенциально может стать материалом для термобарьерного покрытия.

Соединения тройного ламинированного семейства, открытые шесть десятилетий назад как H-фазы, теперь называются MAX-фазами1,2. Химически это семейство представлено Mn+1AXn, где M — переходный металл, A — элемент A-группы, а X — либо углерод, либо азот, либо бор3. Целое число n называется индексом слоя атома M. Согласно n, семейство фаз MAX на данный момент разделено на шесть подсемейств, таких как фазы 211, 312, 413, 514, 615 и 716 MAX3. Это семейство также называют металлической керамикой, поскольку они обладают множеством металлических и керамических свойств3. Подобно металлам, некоторые фазы MAX электро- и теплопроводны, устойчивы к тепловому удару, устойчивы к повреждениям и легко поддаются механической обработке. Опять же, они напоминают керамику, так как некоторые из них легкие, износостойкие, упруго-жесткие, хрупкие, устойчивые к окислению и коррозии.

Кристаллическая структура фаз MAX состоит из почти плотноупакованных слоев октаэдров MX6, интерполированных плоскоквадратными пластинами слоев атомов A. В них атомы X занимают октаэдрические позиции между атомами М. Атомы A расположены в центре тригональных призм, которые немного больше октаэдрических узлов и поэтому могут лучше вмещать относительно большие атомы A4. Промежуточные плоскости из чистых A-элементов являются зеркальными плоскостями по отношению к зигзагообразным пластинам Mn+1Xn. Альтернативно, структура фаз MAX состоит из высокосимметричных элементарных ячеек, атомно-слоистых вдоль оси c. В элементарной ячейке (n + 1) керамические MX-слои уложены вдоль оси c между двумя металлическими A-слоями. Толщина этих атомных слоев находится в нанометровом диапазоне, и по этой причине MAX-фазы иногда называют наноламинатами. Периодическое расположение металлического и керамического слоев является причиной металлических и керамических свойств МАХ-фаз. Фазы MAX имеют множество потенциальных применений, начиная от аэрокосмической отрасли и заканчивая ядерными реакторами5. В последнее время фазы MAX используются для синтеза двумерных MXenes, которые используются в качестве материалов для хранения энергии и в качестве электродов в электрохимических конденсаторах, микросуперконденсаторах и батареях6,7,8,9.

Интерес к Sn-содержащей фазе MAX в сообществе значителен из-за сообщения о привлекательных электрохимических характеристиках Nb2SnC в литий-ионных электролитах7. Важно отметить, что две из трех фаз MAX, обнаруженных после этого отчета, являются фазами MAX на основе Sn. Этими новыми членами семейства MAX являются V2SnC10, Zr2SeC11 и Sc2SnC12. Последняя является первой MAX-фазой на основе Sc, о которой сообщается с полной кристаллографической информацией. Ранее Sc2InC был включен в список H-фаз в статье13, однако без каких-либо кристаллографических данных и источник был указан как частное сообщение. До сих пор нет экспериментальных подтверждений синтеза и характеристики Sc2InC. Таким образом, можно сделать вывод, что Sc2SnC является первым соединением на основе Sc в семействе MAX. С другой стороны, существует шесть карбидов 211 MAX, содержащих Sn в качестве элемента A-позиции с разными атомами M. Это V2SnC, Lu2SnC, Ti2SnC, Nb2SnC, Hf2SnC и Zr2SnC. Эти фазы широко изучаются, и в различных исследованиях прогнозируются их возможные применения. Канун и др. изучили механические, электронные, химические связи и оптические свойства Ti2SnC, Zr2SnC, Hf2SnC и Nb2SnC с помощью DFT14. Буэмаду провел теоретическое исследование влияния давления на структурные и упругие свойства фаз M2SnC (M = Ti, Zr, Nb, Hf)15. Хади и др. исследовали электронную структуру, природу связей и дефектные процессы в пяти фазах 211 MAX на основе олова4. Механическое поведение, решеточная теплопроводность и колебательные свойства фазы Lu2SnC MAX также были исследованы16. Фаза V2SnC MAX теоретически прогнозируется как химически стабильный, устойчивый к повреждениям и радиации материал TBC17. Sc2SnC является исключительным среди фаз M2SnC, поскольку его М-элемент Sc представляет собой редкоземельный элемент, который, как правило, в соединениях MAX обычно является переходным металлом. Таким образом, Sc2SnC уникален среди фаз M2SnC MAX. Это побудило настоящее исследование DFT, целью которого является рассмотрение всех существующих карбидов фазы 211 MAX на основе олова, чтобы понять роль M-элементов в физических свойствах конкретных карбидов MAX на основе атома A. Здесь мы систематически рассчитывали структурные, электронные, механические и термические свойства, включая твердость по Виккерсу и дефектные процессы Sc2SnC. Полученные свойства сравниваются с найденными для ранее синтезированных фаз M2SnC MAX, чтобы облегчить сравнение и изучить отклонения свойств Sc2SnC среди существующих фаз M2SnC MAX.