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【MS論文精讀】Vacuum: 六方晶TM5Si3N的電子、彈性和熱性能研究

成果簡介

由于碳化物（如TM₅Si₃C-Nowotny相）增強了硅化物的斷裂性能，使其引起了人們的廣泛關注。然而，具有類似比例的氮化物TM₅Si₃N-Nowotny相卻很少報道。近日，昆明理工大學卜恒勇、段永華等人研究了TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）-Nowotny相。

計算方法

作者利用CASTEP模塊進行了第一性原理計算，并且為了描述價電子和離子核之間的相互作用，使用了超軟贗勢（USPP），以及將交換相關能由廣義梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函來描述。

在經過收斂實驗之后，作者將截止能量確定為500?eV，并且使用Monkhorst-Pack方法將布里淵區（BZ）中的k點設置為7?×?7.?×?8。此外，在幾何優化過程中，作者采用了Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon（BFGS）方法，并將總能量收斂標準設置為5?×?10^?6?eV/atom，最大離子位移收斂標準設置為5?×?10^?4??，最大應力收斂標準設置為0.02?GPa，以及最大離子Hellman-Feynman力收斂標準設置為0.01?eV/?。

結果與討論

圖1. TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的晶體結構?

TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的晶體結構如圖1所示，其具有P6₃/mcm（No.193）的空間群。TM₅Si₃N的晶胞包含18個原子（包含兩個N原子、六個Si原子和十個TM原子）。

其中，兩個N原子位于（0,0,0.5）位，六個Si原子位于（0，x₁，0.75）位，四個TM原子位于（2/3，1/3，0.5）位，剩下的六個TM原子則位于（0、x₂、0.75）位。V₅Si₃N、Nb₅Si₃N和Ta₅Si₃N分別具有0.4093、0.4062和0.4037的x₁值；而x₂值分別為0.7722、0.7674和0.7618。

圖2. TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的聲子色散普

如圖2所示，作者使用聲子色散譜來表征其動態穩定性。其中聲學分支是每個TM₅Si₃N-Nowotny相的三條低頻曲線，而光學分支是剩余的曲線。此外，三個Nowotny相的聲子色散曲線都沒有顯示虛部，證明它們都是動態穩定的。

圖3. TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的TDOS和PDOS

如圖3所示，在TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）的TDOS和PDOS中，TM-d、Si-p和N-p態主要分布在費米能級（E_F）附近。在?18-0?eV范圍內的TDOS主要來源于Si-s和N-s態，而0–24?eV以上的TDOS來自Si-p態。

此外，TM-d、Si-p和N-p態之間存在高度雜化，從而形成了TM-Si和TM-N化學鍵。在圖3中，費米能級處的TDOS值順序為Ta₅Si₃N?<?Nb₅Si₃N?<?V₅Si₃N。因此，Nowotny相穩定性順序為Ta₅Si₃N?<?Nb₅Si₃N?<?V₅Si₃N。

圖4. TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的差分電荷密度

如圖4所示，許多電子分布在TM原子和兩個Nowotny相鄰的N原子之間，表明形成了兩個非常強的TM-N鍵，并且它們沿著z軸排列成z字形鍵鏈。此外，幾個電子在TM原子和相鄰的Si原子之間積累，證明了TM-Si鍵的形成。

此外，Ta₅Si₃N中原子間的電子積累程度高于其他兩相中的原子間電子積累程度，而V₅Si₃N的原子間積累程度最小。這表明Ta₅Si₃N中的鍵具有最強的鍵強度，其次是Nb₅Si₃N中的鍵，V₅Si₃N的鍵強度最弱。

圖5. 體積模量、剪切模量和楊氏模量的三維表面分布

體積模量B、剪切模量G和楊氏模量E的三維（3D）表面分布如圖5所示，其中體積模量的3D圖并不完全是球形的，這表明這些TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）的體積模量是各向異性的。

此外，Nb₅Si₃N的體積模量3D圖與球體的偏差最大，而V₅Si₃N偏離最小，表明體積模量各向異性順序為Nb₅Si₃N?>?Ta₅Si₃N?>?V₅Si₃N。圖5中的剪切模量3D圖也不是完全球形的，這表明這些TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）Nowotny相也具有各向異性的剪切模量。其中Ta₅Si₃N的偏差最大，Nb₅Si₃N的偏差最小。因此，它們的剪切模量各向異性順序為Ta₅Si₃N?>?V₅Si₃N?>?Nb₅Si₃N。

圖5中的楊氏模量3D圖表明，這些TM₅Si₃N-Nowotny相的楊氏模量各向異性順序為Ta₅Si₃N?>?Nb₅Si₃N?>?V₅Si₃N。

圖6. 體積模量、剪切模量和楊氏模量的二維投影

如圖6所示，（0001）平面上的2D投影接近圓形，而（1000）平面的2D投影顯然是非圓形的，這表明這些TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）Nowotny相在B、G和E中是各向異性的。

此外，從彈性模量的2D投影中可以看出，Ta₅Si₃N在（1000）和（0001）平面之間具有最大的差異，證明Ta₅Si₃N具有最大的彈性各向異性。體積模量各向異性序列為Nb₅Si₃N?>?Ta₅Si₃N?>?V₅Si₃N，剪切模量各向異性序列為Ta₅Si₃N ?>?V₅Si₃N?>?Nb₅Si₃N，而楊氏模量各向異性序列為Ta₅Si₃N?>?Nb₅Si₃N?>?V₅Si₃N。

圖7. TM₅Si₃N（TM=?V、Nb和Ta）的最小熱導率3D表面分布和2D投影

TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）Nowotny相的3D表面分布和2D投影如圖7所示，這些TM₅Si₃N（TM?=?V、Nb和Ta）Nowotny相都具有偏離球體的3D表面分布，證明它們是各向異性的。其中V₅Si₃N與球體最相似，而Ta₅Si₃N則與球體偏離最大。因此，關于各向異性，最大值是Ta₅Si₃N，而最小值是V₅Si₃N。

結論與展望

計算得到的TM₅Si₃N-Nowotny相的聲子色散譜表明，它們在動力學是穩定的。由于TM-d態與Si-p和N-p態之間的強雜化作用，使TM₅Si₃N可以形成TM-Si和TM-N鍵。

所獲得的彈性各向異性指數、二維（2D）平面投影和三維（3D）表面分布表明，TM₅Si₃N的彈性模量是各向異性的，彈性各向異性序列為Ta₅Si₃N?>?Nb₅Si₃N?>?V₅Si₃N，并且最小熱導率順序為Ta₅Si₃N >?Nb₅Si₃N?>?V₅Si₃N。

文獻信息

Jiasheng Ji et.al Electronic, elastic and thermal properties of hexagonal TM₅Si₃N investigated by first-principles calculations Vacuum 2023

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112232

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【MS論文精讀】Vacuum: 六方晶TM5Si3N的電子、彈性和熱性能研究

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