5d过渡金属二硼化物的结构和热、力学性质的第一性原理计算

赵立凯; 赵二俊; 武志坚

doi:10.7498/aps.62.046201

摘要

利用基于密度泛函理论的第一性原理系统地研究了5d过渡金属二硼化物TMB2 (TM=Hf–Au) 的结构、热学、力学和电学性质. 我们考虑了三种结构, 分别为AlB2, ReB2和WB2结构. 计算得到的晶格常数与先前的理论和实验研究符合得很好. 通过计算生成焓预测了化合物的热力学稳定性; 从HfB2到AuB2, 生成焓的整体趋势是逐渐增加的. 在所考虑的结构中, 对HfB2和TaB2, AlB2结构是最稳定的; 对WB2, ReB2, OsB2, IrB2和AuB2, ReB2结构是最稳定的; 对PtB2, WB2结构是最稳定的. 在所考虑的化合物中, ReB2结构的ReB2具有最大的剪切模量(295 GPa), 是最硬的化合物, 与先前的理论和实验结果相符. 计算得到的总态密度显示所有结构都具有金属特性. 讨论了系列化合物的变化趋势.

关键词:

Abstract

The structural, thermodynamic, mechanical and electronic properties of 5d transitional metal diborides TMB2 (TM=Hf-Au) are systematically investigated by first-principles within density functional theory. For each diboride, three structures are considered, i.e., AlB2, ReB2 and WB2 structure. The calculated lattice parameters are in good agreement with previous theoretical and experimental results. From the calculated formation enthalpy, thermodynamic stability of compounds is predicted and the formation enthalpy increases from HfB2 to AuB2. Among the considered structures, AlB2 structure is the most stable for HfB2 and TaB2; ReB2 structure is the most stable for WB2, ReB2, OsB2, IrB2 and AuB2; WB2 structure is the most stable for PtB2. The ReB2 in ReB2 structure has the largest shear modulus (295 GPa), and is the hardest compound, which is in agreement with previous theoretical and experimental results. The calculated density of states shows that they are all metallic. Their variation trends are discussed.

Keywords:

作者及机构信息

1.
内蒙古工业大学理学院, 呼和浩特 010051;

2.
中国科学院长春应用化学研究所, 稀土资源利用国家重点实验室, 长春 130022

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:21261013)、内蒙古自治区自然科学基金(批准号:2011BS0104)和内蒙古工业大学科学研究计划(批准号:ZD201117)资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Science, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;

2.
State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21261013), the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous Region, China (Grant No. 2011BS0104), and the Key Science Research Project of Inner Mongolia University of Technology, China (Grant No. ZD201117).

参考文献

[1]	Teter D M 1998 MRS Bull. 23 22
[2]	Song H, Zhang Y, Chen C F 2005 Physics 34 414 (in Chinese) [孙弘, 张翼, 陈长风 2005 物理 34 414]
[3]	Jiang Y L, Zhang B, Pan H 2006 Jiangsu Build. Mater. 1 35 (in Chinese) [姜亚林, 张斌, 潘虎 2006 江苏建材 1 35]
[4]	Zhao Y, He D W, Daemen L L, Shen T D, Schwarz R B, Zhu Y, Bish D L, Huang J, Zhang J, Shen G, Qian J, Zerda T W 2002 J. Mater. Res. 17 3139
[5]	Solozhenko V L, Kurakevych O O, Andrault D, Godec Y L, Mezouar M 2009 Phys. Rev. Lett. 102 015506
[6]	Solozhenko V L, Andrault D, Fiquet G, Mezouar M, David C R 2001 Appl. Phys. Lett. 78 1385
[7]	Li Q, Wang M, Artem R O, Cui T, Ma Y M 2009 J. Appl. Phys. 105 053514
[8]	Li Q, Wang H, Tian Y J, Xia Y, Cui T 2010 J. Appl. Phys. 108 023507
[9]	Tian Y J, Xu B, Zhao Z S 2012 Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 3 93
[10]	Li Q, Wang H, Ma Y M 2009 J. Superhard Mater. 32 192
[11]	Usta M, Ozbek I 2005 Surf. Coat. Technol. 194 330
[12]	Cumberland R W, Weinberger M B 2005 J. Am. Chem. Soc. 127 7264
[13]	Chung H Y, Weinberger M B, Levine J B, Kavner A , Yang J M, Tolbert S H, Kaner R B 2007 Science 316 436
[14]	Gu Q, Krauss G, Steurer W 2008 Adv. Mater. 20 3620
[15]	Wang M, Li Y W, Cui T, Ma Y M, Zou G T 2008 Appl. Phys. Lett. 93 101905
[16]	Wang Y X 2007 Appl. Phys. Lett. 91 101904
[17]	Liang Y, Zhang B 2007 Phys. Rev. B 76 132101
[18]	Hao X, Xu Y, Wu Z, Zhou D, Liu X 2006 Phys. Rev. B 74 224112
[19]	Chen X Q, Fu C L, Kr\v{c}mar M, Painter G S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 196403
[20]	Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717
[21]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[22]	Ceperley D M, Alder B J 1980 Phys. Rev. B 45 566
[23]	Monkhorst H J, Pack J D 1977 Phys. Rev. B 13 5188
[24]	Pack J D, Monkhorst H J 1977 Phys. Rev. B 16 1748
[25]	Fischer T H, Almlof J 1992 J. Phys. Chem. 96 9768
[26]	Milman V M P, Winkler D C Allen 1992 Phys. Rev. Mod. 64 1045
[27]	Kugai L N 1972 Inorg. Mater. 8 669
[28]	Lönnberg B 1988 J. Less-Common. Metals 141 145
[29]	Woods H P, Wamner Jr F E, Fox B G 1966 Science 151 75
[30]	Obrowski W 1961 Naturwisse Nschaften 48 428
[31]	Liang Y C, Yuan X, Zhang W Q 2011 Phys. Rev. B 83 220102
[32]	Wu Z J, Zhao E J, Xiang H P, Hao X F, Liu X J, Meng J 2007 Phys. Rev. B 76 054115
[33]	Hao X F 2008 Ph. D. Dissertation (Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese) [郝险峰 2008 博士学位论文 (北京: 中国科学院研究生院)]
[34]	La Placa S J, Post B 1962 Acta Crystallogr. 15 97
[35]	Lundstroem T 1968 Ark. Kemi. 30 115
[36]	Zhao E J, Meng J, Ma Y M, Wu Z J 2010 Phys. Chem. Chem. Phys. 12 13158
[37]	Zhao E J, Wu Z J 2008 J. Solid State Chem. 181 2814

施引文献

[1]	Teter D M 1998 MRS Bull. 23 22
[2]	Song H, Zhang Y, Chen C F 2005 Physics 34 414 (in Chinese) [孙弘, 张翼, 陈长风 2005 物理 34 414]
[3]	Jiang Y L, Zhang B, Pan H 2006 Jiangsu Build. Mater. 1 35 (in Chinese) [姜亚林, 张斌, 潘虎 2006 江苏建材 1 35]
[4]	Zhao Y, He D W, Daemen L L, Shen T D, Schwarz R B, Zhu Y, Bish D L, Huang J, Zhang J, Shen G, Qian J, Zerda T W 2002 J. Mater. Res. 17 3139
[5]	Solozhenko V L, Kurakevych O O, Andrault D, Godec Y L, Mezouar M 2009 Phys. Rev. Lett. 102 015506
[6]	Solozhenko V L, Andrault D, Fiquet G, Mezouar M, David C R 2001 Appl. Phys. Lett. 78 1385
[7]	Li Q, Wang M, Artem R O, Cui T, Ma Y M 2009 J. Appl. Phys. 105 053514
[8]	Li Q, Wang H, Tian Y J, Xia Y, Cui T 2010 J. Appl. Phys. 108 023507
[9]	Tian Y J, Xu B, Zhao Z S 2012 Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 3 93
[10]	Li Q, Wang H, Ma Y M 2009 J. Superhard Mater. 32 192
[11]	Usta M, Ozbek I 2005 Surf. Coat. Technol. 194 330
[12]	Cumberland R W, Weinberger M B 2005 J. Am. Chem. Soc. 127 7264
[13]	Chung H Y, Weinberger M B, Levine J B, Kavner A , Yang J M, Tolbert S H, Kaner R B 2007 Science 316 436
[14]	Gu Q, Krauss G, Steurer W 2008 Adv. Mater. 20 3620
[15]	Wang M, Li Y W, Cui T, Ma Y M, Zou G T 2008 Appl. Phys. Lett. 93 101905
[16]	Wang Y X 2007 Appl. Phys. Lett. 91 101904
[17]	Liang Y, Zhang B 2007 Phys. Rev. B 76 132101
[18]	Hao X, Xu Y, Wu Z, Zhou D, Liu X 2006 Phys. Rev. B 74 224112
[19]	Chen X Q, Fu C L, Kr\v{c}mar M, Painter G S 2008 Phys. Rev. Lett. 100 196403
[20]	Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717
[21]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[22]	Ceperley D M, Alder B J 1980 Phys. Rev. B 45 566
[23]	Monkhorst H J, Pack J D 1977 Phys. Rev. B 13 5188
[24]	Pack J D, Monkhorst H J 1977 Phys. Rev. B 16 1748
[25]	Fischer T H, Almlof J 1992 J. Phys. Chem. 96 9768
[26]	Milman V M P, Winkler D C Allen 1992 Phys. Rev. Mod. 64 1045
[27]	Kugai L N 1972 Inorg. Mater. 8 669
[28]	Lönnberg B 1988 J. Less-Common. Metals 141 145
[29]	Woods H P, Wamner Jr F E, Fox B G 1966 Science 151 75
[30]	Obrowski W 1961 Naturwisse Nschaften 48 428
[31]	Liang Y C, Yuan X, Zhang W Q 2011 Phys. Rev. B 83 220102
[32]	Wu Z J, Zhao E J, Xiang H P, Hao X F, Liu X J, Meng J 2007 Phys. Rev. B 76 054115
[33]	Hao X F 2008 Ph. D. Dissertation (Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese) [郝险峰 2008 博士学位论文 (北京: 中国科学院研究生院)]
[34]	La Placa S J, Post B 1962 Acta Crystallogr. 15 97
[35]	Lundstroem T 1968 Ark. Kemi. 30 115
[36]	Zhao E J, Meng J, Ma Y M, Wu Z J 2010 Phys. Chem. Chem. Phys. 12 13158
[37]	Zhao E J, Wu Z J 2008 J. Solid State Chem. 181 2814

[1]	袁文翎, 姚碧霞, 李喜, 胡顺波, 任伟. 第一性原理计算研究γ'-Co₃(V, M) (M = Ti, Ta)相的结构稳定性、力学和热力学性质. , 2024, 73(8): 086104. doi: 10.7498/aps.73.20231755
[2]	吕常伟, 王臣菊, 顾建兵. 高温高压下立方氮化硼和六方氮化硼的结构、力学、热力学、电学以及光学性质的第一性原理研究. , 2019, 68(7): 077102. doi: 10.7498/aps.68.20182030
[3]	赵玉娜, 丛红璐, 成爽, 于娜, 高涛, 马俊刚. 第一性原理研究Li₂NH的晶格动力学和热力学性质. , 2019, 68(13): 137102. doi: 10.7498/aps.68.20190139
[4]	付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良. Ti₃O₅弹性、电子和光学性质的第一性原理研究. , 2019, 68(20): 207301. doi: 10.7498/aps.68.20190664
[5]	黄鳌, 卢志鹏, 周梦, 周晓云, 陶应奇, 孙鹏, 张俊涛, 张廷波. Al和O间隙原子对-Al2O3热力学性质影响的第一性原理计算. , 2017, 66(1): 016103. doi: 10.7498/aps.66.016103
[6]	胡洁琼, 谢明, 陈家林, 刘满门, 陈永泰, 王松, 王塞北, 李爱坤. Ti3AC2相（A = Si，Sn，Al，Ge）电子结构、弹性性质的第一性原理研究. , 2017, 66(5): 057102. doi: 10.7498/aps.66.057102
[7]	刘博, 王煊军, 卜晓宇. 高压下NH4ClO4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究. , 2016, 65(12): 126102. doi: 10.7498/aps.65.126102
[8]	吴若熙, 刘代俊, 于洋, 杨涛. CaS电子结构和热力学性质的第一性原理计算. , 2016, 65(2): 027101. doi: 10.7498/aps.65.027101
[9]	濮春英, 王丽, 吕林霞, 于荣梅, 何朝政, 卢志文, 周大伟. NbSi2奇异高压相及其热力学性质的第一性原理研究. , 2015, 64(8): 087103. doi: 10.7498/aps.64.087103
[10]	王瑨, 李春梅, 敖靖, 李凤, 陈志谦. IVB族过渡金属氮化物弹性与光学性质研究. , 2013, 62(8): 087102. doi: 10.7498/aps.62.087102
[11]	范开敏, 杨莉, 孙庆强, 代云雅, 彭述明, 龙兴贵, 周晓松, 祖小涛. 六角相ErAx (A=H, He)体系弹性性质的第一性原理研究. , 2013, 62(11): 116201. doi: 10.7498/aps.62.116201
[12]	周平, 王新强, 周木, 夏川茴, 史玲娜, 胡成华. 第一性原理研究硫化镉高压相变及其电子结构与弹性性质. , 2013, 62(8): 087104. doi: 10.7498/aps.62.087104
[13]	赵玉娜, 高涛, 吕金钟, 马俊刚. Li-N-H储氢体系热力学性质的第一性原理研究. , 2013, 62(14): 143101. doi: 10.7498/aps.62.143101
[14]	颜小珍, 邝小渝, 毛爱杰, 匡芳光, 王振华, 盛晓伟. 高压下ErNi2B2C弹性性质、电子结构和热力学性质的第一性原理研究. , 2013, 62(10): 107402. doi: 10.7498/aps.62.107402
[15]	杨则金, 令狐荣锋, 程新路, 杨向东. Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究. , 2012, 61(4): 046301. doi: 10.7498/aps.61.046301
[16]	王斌, 刘颖, 叶金文. 高压下TiC的弹性、电子结构及热力学性质的第一性原理计算. , 2012, 61(18): 186501. doi: 10.7498/aps.61.186501
[17]	李晓凤, 刘中利, 彭卫民, 赵阿可. 高压下CaPo弹性性质和热力学性质的第一性原理研究. , 2011, 60(7): 076501. doi: 10.7498/aps.60.076501
[18]	李世娜, 刘永. Cu3N弹性和热力学性质的第一性原理研究. , 2010, 59(10): 6882-6888. doi: 10.7498/aps.59.6882
[19]	王海燕, 崔红保, 历长云, 李旭升, 王狂飞. AlAs相变及热动力学性质的第一性原理研究. , 2009, 58(8): 5598-5603. doi: 10.7498/aps.58.5598
[20]	刘娜娜, 宋仁伯, 孙翰英, 杜大伟. Mg2Sn电子结构及热力学性质的第一性原理计算. , 2008, 57(11): 7145-7150. doi: 10.7498/aps.57.7145

计量

文章访问数: 8300
PDF下载量: 1105
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板