[論文レビュー] Physical properties of new MAX phase borides M2SB (M = Zr, Hf and Nb) in comparison with conventional MAX phase carbides M2SC (M = Zr, Hf and Nb): Comprehensive insights

M. A. Ali, M. M. Hossain+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

MXene and MAX Phase Materials参考文献 87被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、新規MAX相ホライド M2SB（M = Zr, Hf, Nb）の物理的性質を包括的に分析し、従来の M2SC 炭化物と比較している。Nb2SBは共有結合とイオン結合を示し、動的安定性、金属的性質、太陽光反射性コーティングへの応用可能性が、電子構造および光学的分析により確認された。

ABSTRACT

In this article, a detailed study of the recently synthesized MAX phase borides M2SB (M = Zr, Hf and Nb) has been performed via first principles technique. Investigation of mechanical hardness, elastic anisotropy, optical properties, dynamical stability and thermal properties are considered for the first time. The estimated values of stiffness constants and elastic moduli are found in good agreement with available results. The micro and macro hardness (Hmicro and Hmacro) parameters are calculated. The Vickers hardness is also calculated using Mulliken population analysis. The electronic density of states and charge density mapping are used to explain the variation of stiffness constants, elastic moduli and hardness parameters among the studied ternary borides. The Nb2SB compound is found to show best combination of mechanical properties. Mixture of covalent and ionic bonding within these borides is explained using Mulliken population analysis. The direction dependent values of Youngs modulus, compressibility, shear modulus and Poissons ratio are visualized by 2D and 3D representations and different anisotropic factors are calculated. The important optical constants are calculated and analyzed. The metallic nature of the studied borides is confirmed from the DOS and optical properties. The reflectivity spectra reveal the potential use of Zr2SB as coating materials to diminish solar heating. The studied borides are dynamically stable as confirmed from the phonon dispersion curves. The characteristic thermodynamic properties have also been calculated and analyzed. The physical properties of corresponding 211 MAX phase carbides are also calculated for comparison with those of the titled ternary borides.

研究の動機と目的

• 第一原理的手法を用いて、新規に合成された M2SB MAX相ホライド（M = Zr, Hf, Nb）の機械的・電子的・光学的・熱的性質を調査すること。
• M2SBホライドの物理的性質を、従来の M2SC炭化物と比較すること。
• 硬さおよび弾性異方性を含む機械的性能を評価し、構造的応用に最も適した候補を特定すること。
• Mulliken集積分析を用いて結合性質を分析し、フォノン分散曲線から動的安定性を確認すること。
• 光学的性質を分析し、太陽光反射性コーティングへの応用可能性を評価すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、電子構造および全エネルギーの評価を行う。
• 応力-ひずみ法を用いて弾性定数、縦弾性率、剪断率、ポisson比、体積弾性率を計算する。
• 弾性定数に基づくVickers硬度モデルを用いて、微小硬度（Hmicro）およびマクロ硬度（Hmacro）を計算する。
• Mulliken集積分析を適用し、M2SB化合物内のイオン的および共有的結合寄与を定量化する。
• 電子状態密度（DOS）および電子密度分布図を分析し、結合および電子的挙動を解釈する。
• フォノンスペクトルおよび自由エネルギー計算から、光学定数（屈折率、反射率、消衰係数）および熱力学的性質を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M2SBホライドの機械的性質（剛性、硬さ、弾性異方性）は、M2SC炭化物と比較してどのように異なるか？
• RQ2 M2SB化合物間の機械的性能差の原因は何か。また、どの化合物が最も優れた性能の組み合わせを示すか？
• RQ3 共有結合とイオン結合の寄与が、M2SB相の弾性および機械的応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 M2SB化合物は動的安定性を示すか。フォノン分散曲線はそれらの熱力学的安定性について何を示すか？
• RQ5 M2SB化合物の光学的性質は何か。特にZr2SBは太陽光反射性コーティングとしての応用可能性を有するか？

主な発見

• Nb2SBは、Mulliken分析を用いた推定において最高のVickers硬度を示し、研究対象のM2SB化合物の中で最も優れた総合的な機械的性能を示した。
• 計算された弾性定数および弾性率は、既存の実験的および理論的結果と良好に一致しており、計算手法の妥当性が裏付けられた。
• すべてのM2SB化合物においてフォノン分散曲線に虚数振動数が存在しないため、動的安定性が確認された。
• Zr2SBは可視光および近赤外域で高い反射率を示し、太陽光反射性コーティングへの応用可能性が顕著に高いことが示された。
• 電子構造解析により金属的性質が確認され、フェルミ準位付近でdバンドとsバンドの著しい重なりが観察された。
• Mulliken集積分析による結合解析により、共有結合とイオン結合の混合が確認された。特にNb2SBでは共有結合が支配的であり、これが硬さの向上と相関していた。