[論文レビュー] Recently predicted ternary boride Hf3PB4: Insights into the physical properties of this hardest possible boride MAX phase

M. A. Ali, M. M. Hossain+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2020

MXene and MAX Phase Materials参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

この第一原理的研究では、Hf3PB4が既知のMAX相炭化物の中で最も硬い材料であると予測されており、優れた機械的・電子的・熱的・光学的特性を示す。極めて高い硬度は、強いB-B共有結合と高い弾性率に起因し、状態密度および電子密度マッピングによって確認されている。これにより、超硬材料への応用候補として有望である。

ABSTRACT

In this work, we have explored via first principles study of mechanical properties including Vickers hardness and mechanical anisotropy, electronic charge density distribution, Fermi surface, thermodynamic and optical properties of the recently predicted thermodynamically stable MAX phase boride Hf3PB4 for the first time. The calculated lattice constants of the optimized cell are consistent with those found by the predicted data available. Mechanical properties such as C44, B, G, Y, Hmacro and Hmicro of Hf3PB4 boride are compared with those of existing MAX phases. None of the MAX compounds synthesized so far has higher Hmacro and/or Hmicro than that of the predicted Hf3PB4 nanolaminate. Calculations of stiffness constants (Cij) indicate that Hf3PB4 is mechanically stable. The extraordinarily high values of elastic moduli and hardness parameters are explained with the use of density of states (DOS) and charge density mapping (CDM). The high stiffness of Hf3PB4 arises because of the additional B atoms which results in the strong B B covalent bonds in the crystal. The band structure and DOS calculations are used to confirm the metallic properties with dominant contribution from the Hf-5d states to the electronic states around the Fermi level. The technologically important thermal parameters such Debye temperature, minimum thermal conductivity, Gruneisen parameter and melting temperature of Hf3PB4 are calculated. It has been found that the estimated melting temperature of Hf3PB4 is also the highest among all the MAX phase nanolaminates. The important optical constants are calculated and analyzed in detail and their relevance to possible applications in the optoelectronic sectors is discussed. Our study reveals that Hf3PB4 has the potential to be the hardest known MAX phase based on the values of C44, Hmacro and Hmicro.

研究の動機と目的

• 最近予測されたHf3PB4 MAX相炭化物の機械的・電子的・熱的・光学的特性を調査すること。
• Hf3PB4が既知のすべてのMAX相を上回る硬度と縦弾性率を示すかどうかを特定すること。
• その顕著な機械的安定性および高い硬度の起源を、電子的および結合的レベルで理解すること。
• 熱力学的および光学的特性に基づいて、Hf3PB4が高温用途およびオプトエレクトロニクス応用に適しているかどうかを評価すること。
• 熱力学的に安定であるが、未だ実験的に合成されていないMAX相化合物について、包括的な理論的分析を提供すること。

提案手法

• Hf3PB4の電子構造および全エネルギーを決定するために、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 一般化勾配近似（GGA）を用い、PBE関数を用いて格子定数を計算し、結晶構造を最適化した。
• 機械的安定性を評価するために弾性定数（Cij）を計算し、ヤング率、剪断率、体積率を導出した。
• Voigt-Reuss-Hill近似を用いて、弾性定数からマクロおよびミクロ硬度（HmacroおよびHmicro）を推定した。
• 電子的性質と結合性質を特定するために、電荷密度マッピング（CDM）および状態密度（DOS）を分析した。
• フォノンおよび格子力学的計算を用いて、デバイ温度、グリューネイゼンパラメータ、最小熱伝導率、融点などの熱力学的特性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hf3PB4の機械的特性は何か？ 他のMAX相と比較して、硬度と剛性の面でどのように異なるか？
• RQ2 Hf3PB4に顕著な高硬度が現れる理由は何か？ その電子的および結合的特性は、どのようにこれに寄与しているか？
• RQ3 Hf3PB4の熱的特性、特に融点および熱伝導率は何か？ 既知のMAX相と比較してどうか？
• RQ4 Hf3PB4の光学的特性、例えば誘電関数や反射率は、オプトエレクトロニクス応用への可能性をどのように裏付けているか？
• RQ5 Hf3PB4は機械的に安定しており、その電子構造が示唆するように金属的性質を示すか？

主な発見

• Hf3PB4は、既知のすべてのMAX相ナノ積層構造の中で、最高の計算されたマクロ硬度（Hmacro）およびミクロ硬度（Hmicro）を示しており、以前に合成されたMAX相を上回る値を示している。
• Hf3PB4のC44値は非常に高く、剪断変形に対する強い抵抗性を示しており、これは結晶構造内に強いB-B共有結合が存在することに起因する。
• ヤング率、剪断率、体積率の弾性率は、他のMAX相と比較して顕著に高く、極めて高い剛性と機械的安定性を確認している。
• 電子構造は金属的性質を示しており、フェルミ準位付近の状態密度に支配的なHf-5d状態が寄与している。
• Hf3PB4は、すべてのMAX相の中で予測された融点が最も高く、高いデバイ温度と低い最小熱伝導率を有している。
• 光学的特性は、強い反射性と高い誘電応答を示しており、オプトエレクトロニクスおよび保護被膜応用への応用可能性を示唆している。