Abstract

We hebben de structurele en thermofysische eigenschappen van cadmiumoxide (CDO) bestudeerd aan de hand van het Three-Body Potential-Model (TBP). Faseovergang drukken worden geassocieerd met een plotselinge ineenstorting in volume. De faseovergangsdruk en de daarmee verband houdende volumeklappingen die uit dit model worden verkregen, tonen een over het algemeen goede overeenkomst met beschikbare experimentele andere gegevens. De thermofysische eigenschappen zoals moleculaire krachtconstante, Debye temperatuur, enzovoort, van CdO worden ook gerapporteerd.

1. Inleiding

de groep IIB-VIA-oxiden heeft veel belangstelling getoond vanwege hun toepassingen in verschillende technologieën . De halfgeleiderverbindingen van deze groep kristalliseren meestal in de zincblende (B3), wurtzit (B4), of beide structuren. Cadmiumoxide (CDO) is een van de binaire oxiden met belangrijke elektronische, structurele en optische eigenschappen. Cadmiumoxide komt van nature voor als het zeldzame mineraal monteponiet. CdO is een halfgeleider met een bandspleet van 2,16 eV bij kamertemperatuur. Het kristalliseert normaal in een kubieke natriumchloride (NaCl) steenzout structuur, met octaëdrische kation en anion centra. Onder druk vertoont het echter een eerste-orde structurele faseovergang van NaCl (B1) naar CsCl (B2) structuur . First-principles berekeningen van de kristalstructuren, en faseovergang, en elastische eigenschappen van cadmium oxide (CdO) zijn uitgevoerd met de vlakgolf pseudopotentiële dichtheid functionele theorie methode door Peng et al. . Liu et al. bestudeerde de B1 naar B2 faseovergangsdruk bij ongeveer 90,6 GPa voor CdO . Guerrero-Moreno et al. waargenomen de grond-staat eigenschappen van CdO met B1 tot B2 structuur, met behulp van de eerste 2 principes berekeningen.

we hebben het Three-Body Potential (TBP) model toegepast op de huidige verbinding om de hoge druk faseovergang en andere eigenschappen te bestuderen. De noodzaak van integratie van drie-lichamen interactiekrachten werd door veel arbeiders benadrukt om de resultaten te verbeteren . Eerdere berekeningen voor B1-B2 overgangen waren voornamelijk gebaseerd op twee-lichaamspotentieel. Zij concludeerden dat mogelijke redenen voor meningsverschillen onder meer het falen van het twee-lichamen-potentiële model zijn. Aangezien deze studies gebaseerd waren op twee-lichaamspotentieel en geen verklaring konden bieden voor Cauchy-schendingen (C12≠C44). Zij merkten op dat de resultaten kunnen worden verbeterd door het effect van nonrigiditeit van ionen in het model op te nemen. Dit drie-Lichaamspotentiaal (TBP) model bestaat uit lange-afstand Coulomb-energie, drie lichaams-interacties die overeenkomen met de dichtstbijzijnde buur-scheiding, VDW (van der Waal) – interactie, en energie door de overlap-afstoting vertegenwoordigd door hafemiester en Flygare (HF) typepotentiaal en uitgebreid tot de tweede-buur-ionen. Het doel van dit werk is om de structurele en thermofysische eigenschappen van CdO te onderzoeken.

2. Potentiaalmodel en-methode

toepassing van druk resulteert direct in compressie die leidt tot een verhoogde ladingsoverdracht (of drie-lichaams-interactieeffect ) als gevolg van de vervorming van de overlappende elektronenschil van de aangrenzende ionen (of nonrigiditeit van ionen) in vaste stoffen.

Deze effecten zijn opgenomen in de Gibbs vrije energie (𝐺=𝑈+𝑃𝑉−𝑇𝑆) als functie van druk en drie-lichaam interacties ( TBI), die de meest dominante onder de vele lichaam interacties. Hier is 𝑈 de interne energie van het systeem equivalent aan de roosterenergie bij temperatuur bijna nul en 𝑆 is de entropie. Bij een temperatuur 𝑇=0 K) en druk (𝑃) de Gibbs vrije energie voor rock zout (B1, echt) en CsCl (B2, hypothetische) structuren worden gegeven door 𝐺B1(𝑟)=𝑈B1(𝑟)+𝑃𝑉B1(𝑟),(1)𝐺B2 Lesweken𝑟Lesweken Lesweken=𝑈B2 Lesweken𝑟Lesweken Lesweken+𝑃𝑉B2 lesweken𝑟lesweken vullen.(2) Met 𝑉 𝐵 1 (=2,00 3 3) en 𝑉𝐵2(=1.54𝑟3) als eenheidscelvolumes voor respectievelijk phases 1 en 𝐵2 fasen. De eerste termen in (1) en (2) zijn rooster energieën voor 𝐵1 en 𝐵2 structuren en ze worden uitgedrukt 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) met 𝛼𝑚 en 𝛼 lesweken𝑚 als de Madelung constanten voor NaCl en CsCl structuur, respectievelijk. C (C’) en D (D’) zijn de totale Vander der Waal-coëfficiënten van B1 (B2) fasen, 𝛽𝑖𝑗(𝑖,𝑗=1,2) zijn de Pauling-coëfficiënten. Ze is de ionische lading en 𝑏(𝜌) zijn de hardheid (bereik) parameters, 𝑟(𝑟) zijn de dichtstbijzijnde buur van scheidingen voor NaCl (CsCl) structuur en 𝑓(𝑟) is het lichaam kracht parameter.

deze roosterenergieën bestaan uit lange-afstand Coulomb-energie (eerste term), drie-lichaams interacties die overeenkomen met de dichtstbijzijnde buur-scheiding 𝑟 (enag) (tweede term), VDW (van der Waal) interactie (derde term), en energie als gevolg van de overlap afstoting vertegenwoordigd door hafemeister en Flygare (HF) type potentiaal en uitgebreid tot de tweede buur-ionen (resterende termen).

3. Resultaten en discussie

De Vrije energieën van Gibb bevatten drie modelparameters . De waarden van deze parameters zijn geëvalueerd met behulp van de eerste-en tweede-orde ruimtederivaten van de cohesieve energie ( 𝑈 ), uitgedrukt als𝑑𝑈𝑑𝑟𝑟=𝑟0𝑑=0,2𝑈𝑑𝑟2𝑟=𝑟0=9𝑘𝑟0𝐵,(5) en volgens de methode die eerder is aangenomen . Met behulp van deze modelparameters en de minimalisatietechniek, zijn de faseovergangsdrukken van CdO berekend. De inputgegevens van het kristal en de berekende modelparameters zijn vermeld in Tabel 1. We hebben de techniek van het minimaliseren van Gibbs vrije energieën van reële en hypothetische fasen gevolgd. We hebben geminimaliseerd 𝐺𝐵1(𝑟) en 𝐺𝐵2(𝑟) gegeven door (3) en (4) met verschillende druk om te verkrijgen van de interionic scheidingen 𝑟 en 𝑟 lesweken overeenkomt met 𝐵1 en 𝐵2 fasen geassocieerd met een minimum aan energie. De factor Δ𝐺 speelt een belangrijke rol in de stabiliteit van structuren. De faseovergang vindt plaats wanneer Δ𝐺 nul nadert (Δ𝐺→0). De faseovergangsdruk ( 𝑃 𝑡 ) is de druk waarbij δ𝐺 nul nadert. Bij 𝑃 𝑡 ondergaan deze verbindingen een (1 1-2 2) overgang geassocieerd met een plotselinge ineenstorting in volume die een eerste-orde faseovergang toont. Figuur 1 toont onze huidige berekende faseovergangsdruk voor NaCl-type (𝐵1) naar CsCl-type (𝐵2) structuren in CdO bij 90 GPa. De huidige faseovergangsdruk wordt geïllustreerd door pijl in Figuur 1. De berekende waarden van de faseovergangsdruk zijn vermeld in Tabel 2 en vergeleken met hun experimentele en andere theoretische resultaten. Het is interessant om op te merken uit Tabel 2 en Figuur 1 dat de faseovergangsdruk ( 𝑃 𝑡 ), verkregen uit ons model, in het algemeen beter overeenkomen met experimentele gegevens en even goed overeenkomen met andere theoretische resultaten .

figuur 1

variatie van Gibb ‘ s vrije energie met druk voor CdO.

De compressiecurves worden weergegeven in Figuur 2. De waarden van het volume stort in (- Δ𝑉(𝑝)/𝑉(0)) zijn afgebeeld in Tabel 2. De experimentele en theoretische waarden van volume collaps zijn niet beschikbaar voor de huidige verbindingen. Het is duidelijk dat tijdens de faseovergang van NaCl naar CsCl, de volumeonderbreking in drukvolume fasediagram het optreden van eerste-orde faseovergang en dezelfde trend als de andere theoretische benadering identificeert. In Figuur 2 is de druk versus volume grafiek uitgezet.

Figuur 2

variatie van volumeverandering 𝑉 𝑃 /𝑉0 met druk voor cdo.

om het gedrag van de interionische afstand met druk voor het aanwezige oxide te kennen, presenteren we de variatie van de afstanden van dichtstbijzijnde buurman (nn) en dichtstbijzijnde buurman (nnn) voor zowel de phases 1-als 𝐵2-fasen met druk in Figuur 3. De interionische afstanden van het huidige oxide nemen af bij het verhogen van de druk. De open cirkels vertegenwoordigen de dichtstbijzijnde buur (nn) en de vaste Cirkels vertegenwoordigen de dichtstbijzijnde buur (nnn) Afstand in Figuur 3 voor CdO.

Figuur 3

variatie van interionische afstand met druk voor CdO.

Om de verdere uitbreiding van de toepasselijkheid van ons model, hebben we berekend dat de moleculaire kracht constant is (𝑓), infrarood absorptie frequentie (𝜐0), Debye temperatuur (𝜃𝐷), en Grunneisen parameter (𝛾) die rechtstreeks zijn afgeleid van de cohesieve energie, 𝑈(𝑟).

de samendrukbaarheid is bekend door 𝛽=3𝐾𝑟0𝑓(6) in termen van moleculaire krachtconstanten 1𝑓=3𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’2(𝑟)+𝑟𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘’(𝑟)𝑟=𝑟0.(7) Met 𝑈𝑆𝑅𝑘𝑘'(𝑟) als het op korte afstand nearest neighbour (𝑘≠𝑘) deel van 𝑈(𝑟) gegeven door de laatste drie termen in (3) en (4). Deze krachtconstante 𝑓 leidt tot de infrarode absorptiefrequentie met de kennis van de verminderde massa (𝜇) van de kristallen. De thermische uitzettingscoëfficiënt ( 𝛼 𝑣 ) kan worden berekend met de kennis van soortelijke warmte ( 𝐶 𝑣 ). De uitdrukkingen zijn in onze eerdere paper gegeven .

we hebben de thermofysische eigenschappen van CdO berekend. De thermofysische eigenschappen geven ons interessante informatie over de stof. De Debye karakteristieke temperatuur reflects weerspiegelt de stabiliteit van de structuur, de sterkte van de banden tussen de afzonderlijke elementen, de beschikbaarheid van structuurfouten en de dichtheid. De berekende thermofysische eigenschappen zijn vermeld in Tabel 3. Door het gebrek aan experimentele en theoretische gegevens konden we ze niet vergelijken. We hebben de waarde van Debye temperatuur vergeleken met theoretische resultaten van Peng et al. . Ons resultaat vertoont dezelfde trend als door anderen wordt gemeld. Voor zover wij weten is de waarde van de thermische eigenschappen van de aanwezige verbindingen nog niet gemeten of berekend, zodat onze resultaten kunnen dienen als een voorspelling voor toekomstige onderzoeken.

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

aref .

Tabel 3

thermofysische eigenschappen van CdO.

gezien de algemene resultaten kan worden geconcludeerd dat er over het algemeen een goede overeenstemming bestaat tussen het drie-lichamen potentiaal (TBP) model met de beschikbare experimentele en theoretische waarden. Ten slotte kan worden geconcludeerd dat het huidige model met succes de compressiekrommen en fasediagrammen heeft voorspeld die de faseovergangsdruk, de bijbehorende volumeklappingen en de elastische eigenschappen voor cadmiumoxide correct weergeven.