[論文レビュー] Theoretical investigations of superconducting MAX phases Ti2InX (X = C, N)

M. Roknuzzaman, A.K.M.A. Islam|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2012

MXene and MAX Phase Materials参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、超伝導性MAX相であるTi2InCおよびTi2InNの構造的・電子的・機械的・熱的・光学的性質を調査した。両化合物は中程度の結合を持つ超伝導体であり、紫外〜赤外領域で高い反射率を示すことが明らかになった。また、準調和デバイ模型を用いて熱力学的性質を予測し、Ti2InCの熱膨張率に関して実験データと良好な一致を示した。

ABSTRACT

The structural, elastic, electronic, thermal and optical properties of superconducting MAX phases Ti2InX (X = C, N) are investigated by density functional theory (DFT). The results obtained from the least studied nitride phase are discussed in comparison with those of carbide phase having Tc-value half as that of the former. The band structure and density of states show that these phases are conductors, with contribution predominantly from the Ti 3d states. The bulk modulus, Debye temperature, specific heats, thermal expansion coefficient are all obtained as a function of temperature and pressure for the first time through the quasi-harmonic Debye model with phononic effects. Ti2InC and Ti2InN are indicated to be moderately coupled superconductors. The thermal expansion coefficients for both the phases are calculated, and the calculation is in fair agreement with the only available measured value for Ti2InC. Further the first time calculated optical functions reveal that the reflectivity is high in the IR-visible-UV region up to ~ 10 eV and 12.8 eV for Ti2InC and Ti2InN, respectively showing these to be promising coating materials. Keywords: Ti2InX superconductors; First-principles; Mechanical properties; Band structure; Thermodynamic properties; Optical properties

研究の動機と目的

• 超伝導性MAX相であるTi2InCおよびTi2InNの構造的および電子的性質を調査すること。
• 温度および圧力の変化に伴う機械的および熱力学的性質を評価すること。
• 光学的応答を分析し、コーティング応用の可能性を評価すること。
• 炭化物相と窒化物相の間での超伝導転移温度および結合定数の違いを比較すること。
• 準調和デバイ模型を用いて、熱膨張率、比熱、デバイ温度について、初めて理論的予測を行うこと。

提案手法

• 電子構造計算に一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 温度および圧力依存の熱力学的性質（体積弾性率、比熱、熱膨張率など）を計算するために、準調和デバイ模型を用いた。
• 金属的性質および軌道寄与を分析するために、電子バンド構造および状態密度を計算した。
• 反射率を含む光学関数を計算し、光学コーティング応用の可能性を評価した。
• 電子-フォノン結合を用いたMcMillan式を適用し、超伝導転移温度を推定した。
• 特にTi2InCの熱膨張率に関して、理論的予測を入手可能な実験データと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ti2InCおよびTi2InNの電子バンド構造および状態密度はどのように比較されるか。また、伝導性に寄与する主要な軌道は何か。
• RQ2 Ti2InCおよびTi2InNの温度および圧力依存の熱力学的性質は何か。実験測定値と比較するとどうなるか。
• RQ3 Ti2InCおよびTi2InNの予測される超伝導転移温度および結合定数は何か。それぞれの相違点は何か。
• RQ4 これらのMAX相の光学的反射率および誘電関数は紫外〜赤外領域でどのように変化するか。これはコーティング用途にどのような意味を持つのか。
• RQ5 Ti2InCについて唯一入手可能な実験データと照合した場合、熱膨張率および比熱の理論的予測はどの程度一致するか。

主な発見

• Ti2InCおよびTi2InNは、Ti 3d軌道からの寄与が支配的である金属的性質を示す。
• Ti2InCの計算された熱膨張率は、唯一入手可能な実験測定値と良好な一致を示した。
• 両相とも中程度の結合を持つ超伝導体であると予測され、Ti2InNの方がTi2InCよりも高いTcを示す。
• 紫外〜赤外領域で高い反射率を示し、Ti2InCでは約10 eV、Ti2InNでは約12.8 eVに達する。これは光学コーティング応用への強い可能性を示唆する。
• 準調和デバイ模型は、両相について温度および圧力依存の体積弾性率、比熱、デバイ温度を成功裏に予測した。
• 本研究では、Ti2InNの比熱および熱膨張率係数について、初めて理論的推定値を提供した。また、Ti2InCについてもより洗練された予測値を得た。