[논문 리뷰] Ambient and high pressure phases of tin sulfide compounds

Joseph M. Gonzalez, Kien Nguyen-Cong외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 10.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 100 GPa까지의 압력 범위에서 SnxSy 상도를 완전히 맵핑하기 위해 처음 원리 기반의 진화적 결정구조 탐색(USPEX)을 사용하여 새로운 고압 상을 예측하였다. 이 중에는 100 GPa까지 안정한 금속성 γ-SnS(Pm̄3m)가 포함되며, 40 GPa에서 초전도 전이 온도 Tc = 9.6 K를 가지며, 30 GPa에서 Tc = 21.8 K를 가지는 새로운 Sn3S4 상(Ī43d)도 예측되었다. 이는 고압에서 초전도성의 향상이 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

Tin sulfides SnxSy are important class of materials that are actively investigated as novel photovoltaic and water splitting materials. First-principles evolutionary crystal structure search is performed with the goal of constructing the complete phase diagram of SnxSy and discover new phases as well as new compounds of varying stoichiometry at ambient conditions and pressures up to 100 GPa. The ambient phase of SnS2 with P3m1 symmetry remains stable up to 30 GPa. Another ambient phase, SnS experiences a series of phase transformations: including α-SnS to β-SnS at 9 GPa, followed by β-SnS to γ-SnS at 40 GPa. γ-SnS is a new high-pressure metallic phase with Pm3m space group symmetry stable up to 100 GPa, which becomes a superconductor with a maximum Tc= 9.6 K at 40 GPa. Another new metallic compound, Sn3S4 with I43d space group symmetry, is predicted to be stable at pressures above 15 GPa, which also becomes a superconductor with a maximum Tc=21.8 K at 30 GPa.

연구 동기 및 목표

• 100 GPa까지의 압력 및 조성에 따른 SnxSy 화합물의 전체 상공간을 탐색하기 위해.
• 이전에 실험적으로 관측되지 않은 새로운 안정 상과 스토이키오메트리 조합을 식별하기 위해.
• 예측된 고압 상의 전자적 성질, 특히 초전도성에 대해 조사하기 위해.
• 대기압 및 고압 조건에서 SnxSy의 종합적인 상도를 구축하기 위해.

제안 방법

• 다양한 결정구조를 탐색하기 위해 USPEX를 활용한 첫 원리 기반의 진화적 구조 탐색을 수행함.
• 에너지 최소화를 위해 PBE 함수를 사용한 밀도함수이론(DFT)과 DFT+D3 분산 보정을 적용함.
• 열역학적 안정성 평가 및 각 압력에서의 볼록껍질 구축을 위해 형성 엔탈피를 계산함.
• 초전도 전이 온도(Tc) 예측을 위해 전자 구조 및 전자-음향파 상호작용 계산을 수행함.
• 세대에 걸쳐 스토이키오메트리, 공간군, 격자 상수 및 원자 위치를 체계적으로 변화시킴.
• 예측된 상들을 기존의 실험적 상과 비교하여 검증하고, 볼록껍질 분석을 통해 최소 에너지 상태를 식별함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 GPa까지의 고압 조건에서 SnxSy의 새로운 상들이 존재하는가?
• RQ2 고압 조건에서 열역학적으로 안정한 SnxSy 화합물은 무엇이며, 그들의 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고압 SnxSy 상들 중 일부가 초전도성을 나타내는가? 만약 그렇다면, 그들의 Tc 값은 무엇인가?
• RQ4 압력은 SnS와 SnS2에서 구조적 및 전자적 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ5 Sn3S4와 같은 새로운 스토이키오메트리가 고압에서 안정화될 수 있는가?

주요 결과

• Pm̄3m 대칭성을 가지는 γ-SnS는 100 GPa까지 안정한 새로운 고압 금속성 상이다.
• γ-SnS는 최대 Tc = 9.6 K를 가지며 초전도성을 나타낸다. 이 값은 40 GPa에서 관찰된다.
• Ī43d 대칭성을 가지는 Sn3S4는 15 GPa 이상에서 안정할 것으로 예측되며, 30 GPa에서 Tc = 21.8 K의 초전도성을 나타낸다.
• 대기압에서의 SnS2 상(P̄3m1)은 30 GPa까지 단순히 구조 전이 없이 안정하다.
• α-SnS(Pnma) 상은 9 GPa에서 β-SnS(Cmcm) 상으로 전이되고, 40 GPa에서 γ-SnS(Pm̄3m) 상으로 전이된다.
• 상도는 볼록껍질 근처에 다수의 준안정 상을 포함하고 있어, 동적 안정화 가능성에 대한 시사점을 제공한다.