Abstrakti

olemme tutkineet kadmiumoksidin (CDO) rakenteellisia ja termofysikaalisia ominaisuuksia käyttäen Kolmirunkoista Potentiaalimallia (TBP). Faasinsiirtopaineet liittyvät tilavuuden äkilliseen romahtamiseen. Tästä mallista saadut vaihesiirtopaineet ja niihin liittyvät tilavuusromahdukset osoittavat yleisesti ottaen hyvän yhtymäkohdan käytettävissä olevien kokeellisten muiden tietojen kanssa. Myös CDO: n termofysikaaliset ominaisuudet, kuten molekyylivoimavakio, Debyen lämpötila ja niin edelleen, raportoidaan.

1. Johdanto

IIB-VIA-oksidien ryhmä on herättänyt paljon kiinnostusta, koska niitä käytetään eri teknologioissa . Tämän ryhmän puolijohdeyhdisteet kiteytyvät useimmiten zincblendeen (B3), wurtsiittiin (B4) tai molempiin rakenteisiin. Kadmiumoksidi (CDO) on yksi binäärisistä oksideista, joilla on tärkeitä elektronisia, rakenteellisia ja optisia ominaisuuksia. Kadmiumoksidia esiintyy luonnossa harvinaisena mineraalina monteponiittina. CDO on puolijohde, jonka taajuusväli on huoneenlämpötilassa 2,16 eV. Se kiteytyy tavallisesti kuutiollisessa natriumkloridin (NaCl) kivisuolarakenteessa, jossa on oktaedrinen kationi ja anionikeskukset. Kuitenkin paineen alaisena se osoittaa ensimmäisen kertaluvun rakenteellisen vaiheen siirtymisen NaCl (B1): stä CsCl (B2): n rakenteeseen . Kadmiumoksidin (CDO) kiderakenteiden ja faasitransitio-ja elastisuusominaisuuksien ensimmäiset periaatteet on suoritettu Peng et al: n plane-wave pseudopotential density functional theory-menetelmällä. . Liu ym. tutkittu B1-B2-vaihesiirtopaine noin 90,6 GPa CDO: lle . Guerrero-Moreno ym. havaittu maa-tilan ominaisuudet CDO kanssa B1-B2 rakenne, käyttäen ensimmäistä 2 periaatteet laskelmat.

olemme soveltaneet nykyiselle yhdisteelle kolmen kappaleen Potentiaalimallia (TBP) tutkiaksemme korkeapaineen faasimuutosta ja muita ominaisuuksia. Monet työntekijät korostivat kolmen kehon vuorovaikutusvoimien sisällyttämisen tarvetta tulosten parantamiseksi . Aiemmat laskelmat B1-B2-siirtymille perustuivat lähinnä kaksirunkoiseen potentiaaliin. He päättelivät, että erimielisyyksien mahdollisia syitä ovat muun muassa kaksirunkoisen potentiaalimallin epäonnistuminen. Koska nämä tutkimukset perustuivat kahden kehon mahdollisuuksiin eivätkä pystyneet selittämään Cauchyn rikkomuksia (C12≠C44). He huomauttivat, että tuloksia voitaisiin parantaa sisällyttämällä malliin ionien epäyhtenäisyyden vaikutus. Tämä kolmen kappaleen potentiaali (TBP)-malli koostuu pitkän kantaman Coulombienergiasta, kolmesta lähimmän naapurin erottumista vastaavasta kehon vuorovaikutuksesta, vdW (van der Waal)-vuorovaikutuksesta sekä energiasta, joka johtuu hafemiester-ja Flygare (HF) – tyyppisten potentiaalien edustamasta päällekkäisyysrepulsiosta ja ulottuu toisen naapurin ioneihin asti. Tämän työn tarkoituksena on tutkia CdO: n rakenteellisia ja termofysikaalisia ominaisuuksia.

2. Potentiaalimalli ja-menetelmä

paineen soveltaminen johtaa suoraan puristukseen, joka johtaa lisääntyneeseen varauksensiirtoon (tai kolmen kappaleen vuorovaikutusvaikutukseen), joka johtuu viereisten ionien päällekkäisen elektronikuoren muodonmuutoksesta (tai ionien epäyhtenäisyydestä) kiinteissä aineissa.

nämä vaikutukset ovat sisältyneet Gibbsin vapaaseen energiaan (𝐺=𝑈+𝑃𝑉−𝑇𝑆) paineen ja kolmen kehon vuorovaikutusten (Tbi) funktiona , jotka ovat hallitsevimpia monista kehon vuorovaikutuksista. Tässä 𝑈 on systeemin sisäenergia, joka vastaa hilaenergiaa lämpötilassa lähellä nollaa ja 𝑆 on entropia. Lämpötila 𝑇=0 K ja paine ( 𝑃 ), että Gibbsin vapaat energiat rock suola (B1, real) ja CsCl (B2, hypoteettinen) rakenteiden annetaan 𝐺B1(𝑟)=𝑈B1(𝑟)+𝑃𝑉B1(𝑟),(1)𝐺B2𝑟=𝑈B2𝑟+𝑃𝑉B2𝑟.(2) kanssa 𝑉 𝐵 1 (=2.00 𝑟 3) ja 𝑉𝐵2(=1.54𝑟3) yksikkösolujen tilavuuksina 𝐵1 ja 𝐵2 vaiheille. Ensimmäiset termit (1) ja (2) ovat hilan energioita 𝐵1 ja 𝐵2 rakenteita ja ne ilmaistaan 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) NaCl: n ja cscl: n rakenteen madelungin vakioina 𝛼 𝑚 ja  ingr𝑚. C (C’) ja D(D’) ovat B1 (B2) – faasien vander der Waal-kertoimia, 𝛽𝑖𝑗(𝑖,𝑗=1,2) ovat Pauling kertoimet. Ze on ionisten ja 𝑏(𝜌) ovat kovuus (vaihteluväli) parametrit, 𝑟(𝑟) ovat lähin naapuri erotteluja varten NaCl (CsCl) rakenne ja 𝑓(𝑟) on kolme kehon voimaa parametri.

nämä hilaenergiat koostuvat pitkän kantaman Coulombienergiasta (ensimmäinen termi), kolmen kappaleen vuorovaikutuksista, jotka vastaavat lähintä naapurierotusta 𝑟 (inter) (toinen termi), vdW (van der Waal) vuorovaikutuksesta (kolmas termi) sekä energiasta, joka johtuu hafemeister-ja Flygare (HF)-tyyppisten potentiaalien edustamasta päällekkäisyysrepulsiosta ja joka ulottuu toisen naapurin ioneihin asti (loput termit).

3. Tulokset ja keskustelu

Gibbin vapaat energiat sisältävät kolme malliparametria . Näiden parametrien arvot on arvioitu käyttäen ensimmäisen ja toisen kertaluvun tilajohdannaisia koossapitävästä energiasta ( 𝑈 ) ilmaistuna𝑑𝑈𝑑𝑟𝑟=𝑟0𝑑=0,2𝑈𝑑𝑟2𝑟=𝑟0=9𝑘𝑟0𝐵,(5) ja noudattamalla aiemmin hyväksyttyä menetelmää . Näiden malliparametrien ja minimointitekniikan avulla on laskettu CDO: n vaihesiirtopaineet. Kide-ja laskettujen malliparametrien syöttötiedot on lueteltu taulukossa 1. Olemme seuranneet tekniikkaa minimointi Gibbs vapaa energiat todellisia ja hypoteettisia vaiheita. Meillä on minimoitu 𝐺𝐵1(𝑟) ja 𝐺𝐵2(𝑟) kaavasta (3) ja (4) eri paineet saadakseen interionic erotteluja 𝑟 ja 𝑟 vastaa 𝐵1 ja 𝐵2 vaihetta liittyy vähintään energiat. Tekijä Δ𝐺 on tärkeä tekijä rakenteiden vakaudessa. Vaihesiirtymä tapahtuu, Kun Δ𝐺 lähestyy nollaa (Δ𝐺→0). Faasinsiirtopaine ( 𝑃 𝑡 ) on paine, jossa δ𝐺 lähestyy nollaa. At 𝑃 𝑡 nämä yhdisteet käyvät läpi (𝐵1-𝐵2) siirtymän, joka liittyy tilavuuden äkilliseen romahdukseen, joka osoittaa ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymän. Kuvassa 1 esitetään nykyinen laskennallinen vaihesiirtopaine NaCl-tyyppisille (𝐵1) CsCl-tyyppisille (𝐵2) rakenteille CdO: ssa 90 GPa: lla. Nykyinen faasinsiirtopaine on kuvattu nuolella kuvassa 1. Faasimuutospaineen lasketut arvot on lueteltu taulukossa 2 ja niitä on verrattu niiden kokeellisiin ja muihin teoreettisiin tuloksiin. On mielenkiintoista huomata taulukosta 2 ja kuvasta 1, että mallistamme saadut faasimuutospaineet ( 𝑃 𝑡 ) ovat yleisesti ottaen lähempänä kokeellista dataa ja vastaavat yhtä hyvin muita teoreettisia tuloksia .

puristuskäyrät on piirretty kuvaan 2. Tilavuuden arvot romahtavat (- Δ𝑉(𝑝)/𝑉(0)) on kuvattu taulukossa 2. Nykyisille yhdisteille ei ole saatavilla kokeellisia ja teoreettisia arvoja tilavuusromahduksista. On selvää, että faasisiirtymän aikana NaCl: stä CsCl: ään, tilavuuden epäjatkuvuus painetilavuuden faasikaaviossa tunnistaa ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymän esiintymisen ja saman suuntauksen kuin muu teoreettinen lähestymistapa. Kuvassa 2 paine vs. tilavuus kuvaaja on piirretty.

sen lisäksi, että tiedämme interionisen etäisyyden käyttäytymisen nykyisen oksidin paineella, esitämme lähimmän naapurin (nn) ja lähimmän naapurin (NNN) etäisyyksien vaihtelun sekä 𝐵1-että 𝐵2-vaiheille paineen ollessa Kuvassa 3. Nykyisen oksidin interioniset etäisyydet pienenevät paineen kasvaessa. Avoimet ympyrät edustavat lähimmän naapurin (nn) ja kiinteät ympyrät kuvaavat seuraavaksi lähimmän naapurin (nnn) etäisyyttä Kuvassa 3 CDO: lle.

edelleen lisätä sovellettavuus meidän malli, meillä on laskettu molekyyli-force constant (𝑓), infrapuna-absorptio taajuus (𝜐0), Debye-lämpötilan (𝜃𝐷), ja Grunneisen parametri ( 𝛾 ), joka on johdettu suoraan yhtenäinen energia, 𝑈(𝑟).

Kokoonpuristuvuus on yleisesti tiedossa 𝛽=3𝐾𝑟0𝑓(6) molekyylivoimavakioiden osalta 1𝑓=3𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’2(𝑟)+𝑟𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’(𝑟)𝑟=𝑟0.(7) 𝑈 𝑆 𝑅 𝑘 𝑘 ’ ( 𝑟 ) kuin lyhyen kantaman lähin naapuri (𝑘≠𝑘) osa 𝑈(𝑟) antama viimeiset kolme ehdot (3) ja (4). Tämä voimavakio 𝑓 johtaa infrapunan absorptiotaajuuteen, kun tiedetään kiteiden pelkistynyt massa ( 𝜇 ). Lämpölaajenemiskerroin ( 𝛼 𝑣 ) voidaan laskea ominaislämmön tuntemuksella ( 𝐶 𝑣 ). Ilmaukset on esitetty aiemmassa lehdessämme .

olemme laskeneet CdO: n termofysikaaliset ominaisuudet. Termofysikaaliset ominaisuudet antavat meille mielenkiintoista tietoa aineesta. Debyen ominaislämpötila 𝜃 𝐷 heijastaa sen rakenteen vakautta, sen erillisten elementtien välisten sidosten lujuutta, rakennevirheiden saatavuutta ja sen tiheyttä. Lasketut termofysikaaliset ominaisuudet on lueteltu taulukossa 3. Kokeellisten ja teoreettisten tietojen puutteen vuoksi emme voineet vertailla niitä. Olemme verranneet arvoa Debye lämpötila teoreettisia tuloksia tarjoamia Peng et al. . Tuloksessamme näkyy sama kehityssuunta kuin muillakin. Mitä parhaaseen tietämykseemme tulee, nykyisten yhdisteiden lämpöominaisuuksien arvoa ei ole vielä mitattu tai laskettu, joten tuloksemme voivat toimia ennusteena tuleville tutkimuksille.

kokonaissaavutusten perusteella voidaan päätellä, että kolmen kappaleen potentiaali (TBP)-malli sopii yleisesti hyvin käytettävissä oleviin kokeellisiin ja teoreettisiin arvoihin. Lopuksi voidaan päätellä, että nykyisessä mallissa on onnistuneesti ennustettu puristuskäyrät ja faasikaaviot, jotka antavat faasimuutospaineet, niihin liittyvät tilavuuden romahtamiset ja elastiset ominaisuudet oikein kadmiumoksidille.