[논문 리뷰] Effect of spin-orbit coupling on the elastic, mechanical, and thermodynamic properties of Bi-Sb binaries

Sobhit Singh, Irais Valencia-Jaime외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 81인용 수 107

한 줄 요약

이 연구는 Bi-Sb 이황화물의 다양한 조성(x = 0.125에서 0.9 사이)에서 스핀-오르빗 결합(SOC)이 탄성, 기계적 및 열역학적 성질에 미치는 영향을 처음 원리에 기반한 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 조사한다. 주요 발견은 SOC가 세 가지 단세립상 상에서 탄성 연성화를 유도하고 보조성질을 향상시키며, Bi 농도가 증가함에 따라 탄성 모odulus와 디바이 온도가 일관되게 감소한다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오르빗 결합(SOC)이 Bi-Sb 이황화물의 탄성 및 기계적 성질에 미치는 영향을 체계적으로 조사하기.
• 안정한 결정 구조에서 Bi 농도(x)의 변화에 따라 탄성 모odulus, 디바이 온도, 및 비열이 어떻게 변하는지 규명하기.
• Bi-Sb 고체용액 계열 전반에서 보조성질 및 기계적 안정성과 같은 구조적 특징을 규명하기.
• 이론적 예측을 기존의 실험 및 이론적 자료와 비교하여 검증하기.

제안 방법

• VASP 코드 내에서 프rojector augmented wave(PAW) 방법을 사용한 처음 원리에 기반한 DFT 계산.
• PBE 교환-상관 기능과 650 eV 평면파 컷오프를 사용하여 전자 수렴성 확보.
• 헬만-파인만 힘 기준 10−4 eV/Å 이하 및 에너지 수렴 조건 10−8 eV를 만족하는 전체 구조 최적화.
• 탄성 강성 상수(Cij), 부피모odulus(B), 전단모odulus(G), 엘라스틱 모odulus(E), 푸아송 비(ν), 디바이 온도(ΘD) 계산.
• 모든 계산에 스핀-오르빗 결합(SOC)을 포함하여 기계적 및 열역학적 반응에 미치는 영향 평가.
• 이론적 결과를 가용한 실험 데이터와 비교하여 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-오르빗 결합은 Bi-Sb 이황화물의 탄성 강성 상수 및 기계적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Bi 농도(x) 증가에 따라 탄성 모odulus(B, G, E)와 푸아송 비(ν)의 변화 경향은 어떠한가?
• RQ3 어떤 Bi-Sb 결정 구조에서 보조성질이 나타나며, SOC는 이 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 디바이 온도와 비열 용량은 Bi 농도에 따라 어떻게 변화하며, SOC는 이러한 열역학적 양에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 탄성 및 열역학적 성질에 대한 이론적 예측은 실험 측정치와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 스핀-오르빗 결합은 연구된 대부분의 Bi-Sb 이황화물 구조에서 탄성 연성화를 유도하여 탄성 강성 상수를 감소시킨다.
• 세 가지 단세립상 상—Bi1Sb7, Bi7Sb1, 및 Bi9Sb1—은 음의 푸아송 비를 나타내어 다수의 공간 방향에서 뚜렷한 보조성질을 보임을 확인하였다.
• 부피모odulus(B), 전단모odulus(G), 및 엘라스틱 모odulus(E)는 모두 Bi 농도(x) 증가에 따라 일관되게 감소하며, Bi 빈도 조성에서 기계적 강도가 감소함을 시사한다.
• 디바이 온도(ΘD)와 최대 비열 용량은 Bi 농도 감소와 함께 증가하여 Sb 빈도 체계에서 진동 엔트로피가 증가함을 반영한다.
• 탄성파 속도는 Bi 함량 증가에 따라 감소하며, 이는 SOC로 인한 강성 감소와 연성화 증가와 일관된다.
• 탄성 모odulus, 디바이 온도, 비열에 대한 이론적 예측은 가용한 실험 및 이론적 자료와 뛰어난 일치를 보였다.