Zusammenfassung

Wir haben die strukturellen und thermophysikalischen Eigenschaften von Cadmiumoxid (CdO) unter Verwendung des Dreikörperpotentialmodells (TBP) untersucht. Phasenübergangsdrücke sind mit einem plötzlichen Volumenkollaps verbunden. Die aus diesem Modell erhaltenen Phasenübergangsdrücke und damit verbundenen Volumenkollaps zeigen eine allgemein gute Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen Messdaten. Die thermophysikalischen Eigenschaften wie Molekülkraftkonstante, Debye-Temperatur usw. von CdO werden ebenfalls berichtet.

1. Einleitung

Die Gruppe der IIB-VIA-Oxide hat aufgrund ihrer Anwendungen in verschiedenen Technologien großes Interesse gezeigt. Die halbleitenden Verbindungen dieser Gruppe kristallisieren meist in der Zinkblende (B3), Wurtzit (B4) oder beiden Strukturen. Cadmiumoxid (CdO) ist eines der binären Oxide mit wichtigen elektronischen, strukturellen und optischen Eigenschaften. Cadmiumoxid kommt natürlich als das seltene Mineral Monteponit vor. CdO ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 2,16 eV bei Raumtemperatur. Es kristallisiert normalerweise in einer kubischen Natriumchlorid (NaCl) -Steinsalzstruktur mit oktaedrischen Kationen- und Anionenzentren. Unter Druck zeigt es jedoch einen strukturellen Phasenübergang erster Ordnung von NaCl (B1) zu CsCl (B2) Struktur . Berechnungen der Kristallstrukturen, des Phasenübergangs und der elastischen Eigenschaften von Cadmiumoxid (CdO) nach ersten Prinzipien wurden mit der Methode der Pseudopotentialdichtefunktionaltheorie für ebene Wellen von Peng et al. . Liu et al. untersuchte den B1-zu-B2-Phasenübergangsdruck bei etwa 90,6 GPa für CdO . Guerrero-Moreno et al. beobachtete die Grundzustandseigenschaften von CdO mit B1- bis B2-Struktur unter Verwendung der ersten 2-Prinzipberechnungen.

Wir haben das TBP-Modell (Three-Body Potential) auf die vorliegende Verbindung angewendet, um den Hochdruckphasenübergang und andere Eigenschaften zu untersuchen. Die Notwendigkeit der Einbeziehung von Drei-Körper-Interaktionskräften wurde von vielen Arbeitern zur Verbesserung der Ergebnisse betont . Frühere Berechnungen für B1-B2-Übergänge basierten hauptsächlich auf Zweikörperpotentialen. Sie kamen zu dem Schluss, dass mögliche Gründe für Meinungsverschiedenheiten das Versagen des Zweikörperpotentialmodells sind. Da diese Studien auf Zweikörperpotentialen basierten und Cauchy-Verletzungen nicht erklären konnten (C12≠C44). Sie bemerkten, dass die Ergebnisse verbessert werden könnten, indem der Effekt der Nichtsteifigkeit von Ionen in das Modell einbezogen würde. Dieses Modell des Dreikörperpotentials (TBP) besteht aus Coulomb-Energie mit großer Reichweite, drei Körperwechselwirkungen, die der Trennung des nächsten Nachbarn entsprechen, der VDW-Wechselwirkung (van der Waal) und der Energie aufgrund der Überlappungsabstoßung, die durch das Hafemiester- und Flygare (HF) -Potential dargestellt wird und sich bis zu den Ionen des zweiten Nachbarn erstreckt. Ziel dieser Arbeit ist es, die strukturellen und thermophysikalischen Eigenschaften von CdO zu untersuchen.

2. Potentialmodell und Verfahren

Die Anwendung von Druck führt direkt zu einer Kompression, die zu einem erhöhten Ladungstransfer (oder Dreikörperwechselwirkungseffekt) aufgrund der Verformung der überlappenden Elektronenhülle der benachbarten Ionen (oder der Nichtsteifigkeit von Ionen) in Festkörpern führt.

Diese Effekte wurden in die Gibbs freie Energie (𝐺=𝑈+𝑃𝑉−𝑇𝑆) als Funktion des Drucks und der Drei-Körper-Wechselwirkungen (TBI) , die unter den vielen Körperwechselwirkungen am dominantesten sind. Hier ist 𝑈 die innere Energie des Systems, die der Gitterenergie bei einer Temperatur nahe Null entspricht, und 𝑆 ist die Entropie. Bei einer Temperatur von 𝑇=0 K und der Druck (𝑃) die Gibbs-freie Energien für Steinsalz (B1, real) und CsCl (B2, hypothetischen) Strukturen sind gegeben 𝐺B1(𝑟)=𝑈B1(𝑟)+𝑃𝑉B1(𝑟),(1)𝐺B2𝑟=𝑈B2𝑟+𝑃𝑉B2𝑟.(2) Mit 𝑉𝐵1(=2,00𝑟3) und 𝑉𝐵2(=1.54𝑟3) als Einheitszellvolumen für phases1 bzw. 𝐵2 Phasen. Die ersten Terme in (1) und (2) sind Gitterenergien für 𝐵1- und 𝐵2-Strukturen und werden ausgedrückt als 𝑈𝐵1(𝑟)=−𝛼𝑚𝑧2𝑒2𝑟−12𝛼𝑚𝑧𝑒2𝑓(𝑟)𝑟−𝐶𝑟6+𝐷𝑟8+6𝑏𝛽𝑖𝑗𝑟exp𝑖+𝑟𝑗−𝑟𝜌+6𝑏𝛽𝑖𝑖exp2𝑟𝑖-1.414𝑟𝜌+6𝑏𝛽𝑗𝑗exp2𝑟𝑗-1.414𝑟𝜌,𝑈(3)𝐵2𝑟=−𝛼𝑚𝑧2𝑒2𝑟−16𝛼𝑚𝑧𝑒2𝑓𝑟𝑟−𝐶𝑟6+𝐷𝑟8+8𝑏𝛽𝑖𝑗𝑟exp𝑖+𝑟𝑗−𝑟𝜌+3𝑏𝛽𝑖𝑖exp2𝑟𝑖-1.154𝑟𝜌+3𝑏𝛽𝑗𝑗exp2𝑟𝑗-1.154𝑟𝜌(4) mit 𝛼𝑚 und 𝛼� als Madelung-Konstanten für die NaCl- bzw. CsCl-Struktur. C(C‘) und D(D‘) sind die gesamten Vander-der-Waal-Koeffizienten von B1 (B2)., 𝛽𝑖𝑗(𝑖,𝑗=1,2) sind die Pauling-Koeffizienten. Ze ist die Ionische Ladung und 𝑏(𝜌) sind die Härte (Bereich) Parameter, 𝑟(𝑟) sind die nächsten Nachbarn von Separationen für NaCl (CsCl) Struktur und 𝑓(𝑟) ist die drei-Körper-force-parameter.

Diese Gitterenergien bestehen aus Langstrecken-Coulomb-Energie (erster Term), Drei-Körper-Wechselwirkungen, die der nächstgelegenen Nachbar-Trennung entsprechen 𝑟(𝑟) (zweiter Term), VDW (van der Waal) Wechselwirkung (dritter Term) und Energie aufgrund der Überlappungsabstoßung, die durch das Hafemeister- und Flygare (HF) -Potential dargestellt wird und sich bis zu den Ionen des zweiten Nachbarn erstreckt (verbleibende Terme).

3. Ergebnisse und Diskussion

Die freien Energien von Gibb enthalten drei Modellparameter . Die Werte dieser Parameter wurden unter Verwendung der Raumableitungen erster und zweiter Ordnung der kohäsiven Energie (𝑈) ausgewertet, ausgedrückt als 𝑑𝑈𝑑𝑟𝑟=𝑟0𝑑=0,2𝑈𝑑𝑟2𝑟=𝑟0=9𝑘𝑟0𝐵,(5) und folgende Methode früher angenommen. Unter Verwendung dieser Modellparameter und der Minimierungstechnik wurden Phasenübergangsdrücke von CdO berechnet. Die Eingangsdaten des Kristalls und die berechneten Modellparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Wir haben die Technik der Minimierung der Gibbs-freien Energien realer und hypothetischer Phasen verfolgt. Wir haben minimiert 𝐺𝐵1(𝑟) und 𝐺𝐵2(𝑟) gegeben durch (3) und (4) mit unterschiedlichen drücken, um die interionic Trennungen 𝑟 und 𝑟 entsprechenden 𝐵1 und 𝐵2 Phasen verbunden mit minimalen Energien. Der Faktor Δ𝐺 spielt eine wichtige Rolle bei der Stabilität von Strukturen. Der Phasenübergang tritt auf, wenn Δ𝐺 sich Null nähert (Δ𝐺→0). Der Phasenübergangsdruck (𝑃𝑡) ist der Druck, bei dem Δ𝐺 gegen Null geht. Bei 𝑃𝑡 durchlaufen diese Verbindungen einen (𝐵1-𝐵2) -Übergang, der mit einem plötzlichen Volumenkollaps verbunden ist, der einen Phasenübergang erster Ordnung zeigt. Abbildung 1 zeigt unseren gegenwärtigen berechneten Phasenübergangsdruck für Strukturen vom NaCl-Typ (𝐵1) zu CsCl-Typ (𝐵2) in CdO bei 90 GPa. Der aktuelle Phasenübergangsdruck ist in Abbildung 1 durch einen Pfeil dargestellt. Die berechneten Werte des Phasenübergangsdrucks sind in Tabelle 2 aufgeführt und mit ihren experimentellen und anderen theoretischen Ergebnissen verglichen worden. Es ist interessant, aus Tabelle 2 und Abbildung 1 zu entnehmen, dass die aus unserem Modell erhaltenen Phasenübergangsdrücke (𝑃𝑡) im Allgemeinen enger mit experimentellen Daten übereinstimmen und ebenso gut mit anderen theoretischen Ergebnissen übereinstimmen .

Abbildung 1

Variation von Gibbs freier Energie mit Druck für CdO.

Die Kompressionskurven sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Werte des Volumens kollabiert (-Δ𝑉(𝑝)/𝑉(0)) sind in Tabelle 2 dargestellt. Die experimentellen und theoretischen Werte der Volumenkollapse sind für die vorliegenden Verbindungen nicht verfügbar. Es ist klar, dass während des Phasenübergangs von NaCl zu CsCl die Volumenkontinuität im Druckvolumenphasendiagramm das Auftreten eines Phasenübergangs erster Ordnung und den gleichen Trend wie der andere theoretische Ansatz identifiziert. In Abbildung 2 wurde das Druck-Volumen-Diagramm aufgetragen.

Abbildung 2

Variation der Volumenänderung 𝑉𝑃/𝑉0 mit Druck für CdO.

Um das Verhalten des interionischen Abstands mit Druck für das vorliegende Oxid zu kennen, stellen wir die Variation der Abstände des nächsten Nachbarn (nn) und des nächsten Nachbarn (nnn) für die phases1- und 𝐵2-Phasen mit Druck in Abbildung 3 vor. Die Zwischenräume des vorliegenden Oxids nehmen mit zunehmendem Druck ab. Die offenen Kreise repräsentieren den nächsten Nachbarn (nn) und durchgezogene Kreise repräsentieren den nächsten nächsten Nachbarn (nnn) Abstand in Abbildung 3 für CdO.

Abbildung 3

Variation der interionischen Distanz mit Druck für CdO.

Zur weiteren Erhöhung der Anwendbarkeit von unserem Modell haben wir berechnet die molekulare Kraft-Konstante (𝑓), Infrarot-absorption Frequenz (𝜐0), Debye-Temperatur (𝜃𝐷), und Grunneisen parameter ( 𝛾 ), die direkt abgeleitet von der zusammenhängende Energie 𝑈(𝑟).

Die Kompressibilität ist bekanntlich gegeben durch 𝛽=3𝐾𝑟0𝑓(6) in Bezug auf molekulare Kraftkonstanten 1𝑓=3𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’2(𝑟)+𝑟𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’(𝑟)𝑟=𝑟0.(7) Mit 𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘'(𝑟) als nächstgelegenem Nachbarn (𝑘≠𝑘‘) Teil von 𝑈(𝑟), der durch die letzten drei Terme in (3) und (4) gegeben ist. Diese Kraftkonstante 𝑓 führt in Kenntnis der reduzierten Masse (𝜇) der Kristalle zur Infrarotabsorptionsfrequenz. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (𝛼𝑣) kann mit der Kenntnis der spezifischen Wärme (𝐶𝑣) berechnet werden. Die Ausdrücke wurden in unserem früheren Papier gegeben .

Wir haben die thermophysikalischen Eigenschaften von CdO berechnet. Die thermophysikalischen Eigenschaften liefern uns die interessanten Informationen über die Substanz. Die charakteristische Debye-Temperatur 𝜃𝐷 spiegelt seine Strukturstabilität, die Stärke der Bindungen zwischen seinen einzelnen Elementen, die Verfügbarkeit von Strukturdefekten und seine Dichte wider. Die berechneten thermophysikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 3 aufgeführt. Aufgrund des Mangels an experimentellen und theoretischen Daten konnten wir sie nicht vergleichen. Wir haben den Wert der Debye-Temperatur mit theoretischen Ergebnissen von Peng et al. . Unser Ergebnis zeigt den gleichen Trend wie von anderen berichtet. Da nach unserem besten Wissen der Wert der thermischen Eigenschaften für die vorliegenden Verbindungen noch nicht gemessen oder berechnet wurde, können unsere Ergebnisse als Vorhersage für zukünftige Untersuchungen dienen.

In Anbetracht der Gesamtergebnisse kann gefolgert werden, dass das Dreikörperpotentialmodell (TBP) im Allgemeinen gut mit den verfügbaren experimentellen und theoretischen Werten übereinstimmt. Schließlich kann gefolgert werden, dass das vorliegende Modell die Kompressionskurven und Phasendiagramme, die die Phasenübergangsdrücke, die zugehörigen Volumenkollaps und die elastischen Eigenschaften korrekt für Cadmiumoxid ergeben, erfolgreich vorhergesagt hat.