[論文レビュー] Effect of spin-orbit coupling on the elastic, mechanical, and thermodynamic properties of Bi-Sb binaries

Sobhit Singh, Irais Valencia-Jaime+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2017

High-pressure geophysics and materials参考文献 81被引用数 107

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、組成比 x = 0.125 から 0.9 の範囲で変動するBi-Sb二元系におけるスピン軌道結合（SOC）の弾性、機械的および熱力学的性質への影響を調査した。主な発見は、SOCが三つの単斜晶相で弾性軟化および補助的性質（auxetic behavior）を引き起こす一方、弾性率およびデバイ温度はビスマス濃度の増加に伴い単調に低下することである。

ABSTRACT

Using first principles calculations, we systematically study the elastic stiffness constants, mechanical properties, elastic wave velocities, Debye temperature, melting temperature, and specific heat of several thermodynamically stable crystal structures of Bi$_{x}$Sb$_{1-x}$ ($0 < x < 1$) binaries, which are of great interest due to their numerous inherent rich properties, such as thermoelectricity, thermomagnetic cooling, strong spin-orbit coupling (SOC) effects, and topological features in the electronic bandstructure. We analyze the bulk modulus ($B$), Young's modulus ($E$), shear modulus ($G$), $B/G$ ratio, and Poisson's ratio ($ u$) as a function of the Bi concentration in Bi$_{x}$Sb$_{1-x}$. The effect of SOC on above mentioned properties is further investigated. In general, we observe that the SOC effects cause elastic softening in most of the studied structures. Three monoclinic structures of Bi-Sb binaries are found to exhibit significantly large auxeticity. The Debye temperature and the magnitude of the elastic wave velocities monotonically decrease with increasing Bi-concentration. We also discuss the specific heat capacity versus temperature data for all studied binaries. Our theoretical results are in excellent agreement with the existing experimental and theoretical data. The comprehensive understanding of the material properties such as hardness, mechanical strength, melting temperature, propagation of the elastic waves, auxeticity, and heat capacity is vital for practical applications of the studied binaries.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合（SOC）がBi-Sb二元系の弾性および機械的性質に与える影響を体系的かつ包括的に調査すること。
• 安定な結晶構造におけるビスマス濃度（x）の変化に伴う弾性率、デバイ温度、比熱の変化を特定すること。
• Bi-Sb固溶体系列における補助的性質や機械的安定性といった構造的特徴を同定すること。
• 理論的予測を既存の実験的および理論的データと照合して検証すること。

提案手法

• VASPコード内での射影平面波（PAW）法を用いた第一原理的DFT計算。
• PBE交換相関関数と650 eVの平面波カットオフを用い、電子的収束を確保した。
• ヘルマン＝フェインマン力が10−4 eV/Å未満、エネルギー収束基準が10−8 eV未塔となるよう完全な構造最適化を実施した。
• 弾性剛性定数（Cij）、体積弾性率（B）、剪断弾性率（G）、縦弾性率（E）、ポアソン比（ν）、デバイ温度（ΘD）を計算した。
• 機械的および熱力学的応答への影響を評価するために、すべての計算にスピン軌道結合（SOC）を組み込んだ。
• 理論的結果を実験データと照合し、妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合は、Bi-Sb二元系の弾性剛性定数および機械的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ビスマス濃度（x）の増加に伴い、弾性率（B、G、E）およびポアソン比（ν）の変化傾向はいかなるものか？
• RQ3 どのBi-Sb結晶構造が補助的性質を示し、SOCはその性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 デバイ温度および比熱容量はビスマス濃度にどのように変化し、SOCはこれらの熱力学的量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 弾性および熱力学的性質に関する理論的予測は、実験測定値とどの程度一致するか？

主な発見

• スピン軌道結合は、研究対象の大部分のBi-Sb二元系構造で弾性軟化を引き起こし、弾性剛性定数を低下させた。
• 三つの単斜晶相（Bi1Sb7、Bi7Sb1、Bi9Sb1）が負のポアソン比を示し、複数の空間方向で顕著な補助的性質を示した。
• 体積弾性率（B）、剪断弾性率（G）、縦弾性率（E）は、すべてビスマス濃度（x）の増加に伴い単調に低下し、Bi豊富な組成で機械的強度が低下することを示した。
• デバイ温度（ΘD）および最大比熱容量はビスマス濃度の低下に伴い増加し、Sb豊富系において振動エントロピーが高まることを反映した。
• 弾性波速度はビスマス含有量の増加に伴い低下し、SOCによる軟化および剛性の低下と整合的であった。
• 弾性率、デバイ温度、比熱に関する理論的予測は、利用可能な実験的および理論的データと良好に一致した。