absztrakt

a kadmium-oxid (CdO) szerkezeti és termofizikai tulajdonságait tanulmányoztuk a három Testpotenciál (TBP) modell alkalmazásával. A fázisátmeneti nyomás a térfogat hirtelen összeomlásával jár. Az ebből a modellből nyert fázisátalakulási nyomások és a kapcsolódó térfogat-összeomlások általában jó egyezést mutatnak a rendelkezésre álló kísérleti egyéb adatokkal. A termofizikai tulajdonságok, mint a molekuláris erő állandó, Debye hőmérséklet, és így tovább, a CdO is beszámoltak.

1. Bevezetés

az IIB-VIA oxidok csoportja nagy érdeklődést mutatott a különböző technológiákban való alkalmazásuk miatt . Ennek a csoportnak a félvezető vegyületei többnyire a zincblende (B3), wurtzite (B4), vagy mindkét szerkezet. A kadmium-oxid (CDO) az egyik olyan bináris oxid, amely fontos elektronikus, szerkezeti és optikai tulajdonságokkal rendelkezik. A kadmium-oxid természetesen ritka ásványi anyagként fordul elő monteponit. A CdO egy félvezető, amelynek sávrése szobahőmérsékleten 2,16 eV. Általában köbös nátrium-klorid (NaCl) kősó szerkezetben kristályosodik, oktaéderes kationnal és anionközpontokkal. Nyomás alatt azonban elsőrendű szerkezeti fázisátmenetet mutat NaCl (B1) nak nek CsCl (B2) szerkezet . A kadmium-oxid (CDO) kristályszerkezeteinek, fázisátmenetének és rugalmasságának első elvi számításait a síkhullámú pszeudopotenciális sűrűség funkcionális elmélet módszerével végezték Peng et al. . Liu et al. tanulmányozta a B1-B2 fázisátmeneti nyomást körülbelül 90,6 GPa-nál a CdO esetében . Guerrero-Moreno et al. megfigyelte a CDO alapállapoti tulajdonságait B1-B2 szerkezettel, az első felhasználásával 2 alapelvek számításokat.

A három Testpotenciál (TBP) modellt alkalmaztuk a jelen vegyületre, hogy tanulmányozzuk a nagynyomású fázisátmenetet és más tulajdonságokat. A három test interakciós erők bevonásának szükségességét sok munkavállaló hangsúlyozta az eredmények javítása érdekében . A B1-B2 átmenetekre vonatkozó korábbi számítások elsősorban a két test potenciálján alapultak. Arra a következtetésre jutottak, hogy a nézeteltérések lehetséges okai közé tartozik a két test potenciális modelljének kudarca. Mivel ezek a vizsgálatok két test potenciálján alapultak, és nem tudták megmagyarázni a Cauchy-rendellenességeket(C12 C44). Megjegyezték, hogy az eredményeket javítani lehet az ionok nem merevségének hatásával a modellben. Ez a három Testpotenciál (TBP) modell nagy hatótávolságú Coulomb energiából, a legközelebbi szomszéd elválasztásnak megfelelő három testinterakcióból, a vdW (van der Waal) kölcsönhatásból és a hafemiester és Flygare (Hf) típusú potenciál által képviselt átfedés-taszítás miatti energiából áll, és kiterjed a második szomszéd ionokra is. E munka célja a CdO szerkezeti és termofizikai tulajdonságainak vizsgálata.

2. Potenciális modell és módszer

a nyomás alkalmazása közvetlenül olyan kompressziót eredményez, amely a szomszédos ionok átfedő elektronhéjának deformációja (vagy az ionok nem merevsége ) következtében megnövekedett töltésátvitelhez (vagy három test kölcsönhatási hatásához) vezet szilárd anyagokban.

ezeket a hatásokat beépítették a Gibbs szabad energiájába (𝐺=𝑈+𝑃𝑉−𝑇𝑆) a nyomás és a három test kölcsönhatások (TBI) függvényében , amelyek a legtöbb domináns a sok test kölcsönhatás között. Itt a rendszer belső energiája megegyezik a rácsenergiával nulla közeli hőmérsékleten, az entrópia pedig az entrópia. A hőmérséklet 𝑇=0 K, a nyomás (𝑃) a Gibbs ingyenes energiák a kősó (B1, igazi), valamint a CsCl (B2, feltételezett) struktúrák által megadott 𝐺B1(𝑟)=𝑈B1(𝑟)+𝑃𝑉B1(𝑟),(1)𝐺B2𝑟=𝑈B2𝑟+𝑃𝑉B2𝑟.(2) az 1. számú (=2,00 6. számú) és 𝑉𝐵2(=1.54𝑟3) egységnyi sejttérfogatként az 1., illetve a 2. fázishoz. Az (1) és (2) első kifejezései az (1) és (2) szövedékenergiák az (1) és az (2) szerkezetek esetében, és a következőképpen fejezik ki őket: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) A NaCl és a CSCL szerkezet Madelung-állandói közül a caicl és a caicl. C(C’) és D (D’) A B1 (B2) fázisok teljes vander der Waal együtthatói, 𝛽𝑖𝑗(𝑖,𝑗=1,2) a Pauling-együtthatók. Ze a ionos díjat, valamint 𝑏(𝜌) a keménység (tartomány) paraméterek, 𝑟(𝑟) vagy a legközelebbi szomszéd separations a NaCl (CsCl) felépítése, 𝑓 ( 𝑟 ) a három test erő paraméter.

Ezek a rácsos energiák hosszú távú Coulomb energiából (első ciklus), Háromtest kölcsönhatásokból állnak, amelyek megfelelnek a legközelebbi szomszéd szétválasztásának (második ciklus), a VDW (van der Waal) kölcsönhatásnak (harmadik ciklus), valamint a hafemeister és Flygare (HF) típusú potenciál által képviselt átfedési taszítás miatti energiából, és a második szomszéd ionokig terjednek (fennmaradó kifejezések).

3. Eredmények és vita

A Gibb szabad energiái három modellparamétert tartalmaznak . Ezeknek a paramétereknek az értékeit a kohéziós energia első – és másodrendű térszármazékainak felhasználásával határoztuk meg (𝑑𝑈𝑑𝑟𝑟=𝑟0𝑑=0,2𝑈𝑑𝑟2𝑟=𝑟0=9𝑘𝑟0𝐵,(5) a korábban alkalmazott módszert követve . Ezeket a modellparamétereket és a minimalizálási technikát használva kiszámítottuk a CDO fázisátmeneti nyomását. A kristály bemeneti adatait és a számított modellparamétereket az 1. táblázat tartalmazza. A valós és hipotetikus fázisok Gibbs szabad energiáinak minimalizálásának technikáját követtük. Van minimális 𝐺𝐵1 (𝑟), valamint 𝐺𝐵2(𝑟) által megadott (3), valamint (4) a különböző nyomások, annak érdekében, hogy a interionic separations 𝑟, valamint 𝑟 megfelelő 𝐵1 𝐵2 fázis kapcsolódó minimális energiák. A tényező fontos szerepet játszik a struktúrák stabilitásában. A fázisátmenet akkor következik be, amikor a (0) nullához közelít (0). A fázisátmeneti nyomás ( ~ ) az a nyomás, amelynél a ~ ~ megközelíti a nullát. A (6-2.számú) vegyületeknél a térfogat hirtelen összeomlásával járó átmenet elsőrendű fázisátmenetet mutat. Az 1. ábra mutatja A NaCl-típusú (1. számú) és a CSCL-típusú (2. számú) szerkezetek jelenlegi számított fázisátmeneti nyomását CdO-ban 90 GPa-nál. A jelenlegi fázisátmeneti nyomást az 1. ábrán látható nyíl szemlélteti. A fázisátalakulási nyomás kiszámított értékeit a 2. táblázat sorolja fel, és összehasonlítja azok kísérleti és egyéb elméleti eredményeivel. Érdekes megjegyezni a 2. táblázatból és az 1. ábrából, hogy a modellünkből nyert fázisátmeneti nyomások (6) általában közelebb állnak a kísérleti adatokhoz, és ugyanolyan jól illeszkednek más elméleti eredményekhez .

1.ábra

Gibb szabad energiájának változása a CdO nyomásával.

a tömörítési görbéket a 2.ábra mutatja. A kötet értékei összeomolnak ( – ++ 𝑉(𝑝)/𝑉(0)) a 2. táblázatban látható. A térfogatcsökkenés kísérleti és elméleti értékei a jelen vegyületekre vonatkozóan nem állnak rendelkezésre. Nyilvánvaló, hogy a NaCl-ról a CsCl-re történő fázisátmenet során a térfogat diszkontinuitása a nyomástérfogat fázisdiagramban azonosítja az elsőrendű fázisátmenet előfordulását és ugyanazt a tendenciát, mint a másik elméleti megközelítés. A 2. ábrán a nyomás kontra térfogat gráfot ábrázoltuk.

2.ábra

a térfogatváltozás változása a CDO nyomásával együtt.

az interionikus távolság viselkedésének ismeretében a jelenlegi oxid nyomásával a legközelebbi szomszéd (nn) és a legközelebbi szomszéd (NNN) távolságok változását mutatjuk be mind a 3.ábrán, mind a 2. fázis nyomásával. A jelen oxid interionikus távolsága csökken a nyomás növelésével. A nyitott körök a legközelebbi szomszéd (nn), a szilárd körök pedig a legközelebbi szomszéd (nnn) távolságot jelentik a 3.ábrán a CdO esetében.

3.ábra

Az interionikus távolság változása a CDO nyomásával.

ahhoz, Hogy tovább növelje a alkalmazhatósága a modell, már számított a molekuláris erő állandó (𝑓), infravörös abszorpciós frekvencia (𝜐0), Debye hőmérséklet (𝜃𝐷), valamint Grunneisen paraméter ( 𝛾 ), amelyek közvetlenül levezethető az összetartó energia, 𝑈(𝑟).

a tömöríthetőség jól ismert, hogy a 𝛽=3𝐾𝑟0𝑓(6) a molekuláris erő állandók szempontjából 1𝑓=3𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’2(𝑟)+𝑟𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’(𝑟)𝑟=𝑟0.(7) a (3) és (4) bekezdés utolsó három kifejezése által megadott, a (3) és a (4) bekezdés szerinti, rövid hatótávolságú legközelebbi szomszéd (a továbbiakban: a). Ez az állandó erő a kristályok csökkentett tömegének (!) ismeretében az infravörös abszorpciós frekvenciához vezet. A hőtágulási együttható ( ~ ) a fajlagos hő ismeretében számítható ki ( ~ ~ ). A kifejezéseket korábbi cikkünkben adtuk meg .

kiszámítottuk a CdO termofizikai tulajdonságait. A termofizikai tulajdonságok érdekes információkat szolgáltatnak az anyagról. A Debye jellemző hőmérséklet (6) tükrözi a szerkezet stabilitását, az egyes elemek közötti kötések erősségét, a szerkezethibák rendelkezésre állását és sűrűségét. A számított termofizikai tulajdonságokat a 3. táblázat sorolja fel. A kísérleti és elméleti adatok hiánya miatt nem tudtuk összehasonlítani őket. Összehasonlítottuk a Debye hőmérséklet értékét Peng et al. . Eredményünk ugyanazt a tendenciát mutatja, mint mások. Legjobb tudásunk szerint a jelen vegyületek termikus tulajdonságainak értékét még nem mértük vagy számítottuk ki, ezért eredményeink előrejelzésként szolgálhatnak a jövőbeni vizsgálatokhoz.

Solid 𝑓(104 dyn/cm) 𝜐0(1012 Hz) 𝜃𝐷 (K) γ CdO Present 10.1571 7.0968 328 1.0421 Others — — 336.5a —

aref .

3.táblázat

a CdO termofizikai tulajdonságai.

az általános eredményeket figyelembe véve megállapítható, hogy a három Testpotenciál (TBP) modell általában jó egyezést mutat a rendelkezésre álló kísérleti és elméleti értékekkel. Végül arra a következtetésre juthatunk, hogy a jelen modell sikeresen megjósolta a kompressziós görbéket és a fázisdiagramokat, amelyek a fázisátmeneti nyomásokat, a kapcsolódó térfogat-összeomlásokat és a rugalmas tulajdonságokat helyesen adták meg a kadmium-oxid számára.