[논문 리뷰] 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. Hossain외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 87인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 제1원리 계산을 활용하여 새로운 M2SB MAX 계 산화물(M = Zr, Hf, Nb)의 물리적 성질을 종합적으로 분석하며, 기존의 M2SC 탄화물과 비교한다. Nb2SB는 공유결합-이온결합, 동적 안정성, 금속성 거동를 전자 구조 및 광학 분석을 통해 확인하였으며, 태양광 반사 코팅 응용 가능성이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제1원리 방법을 사용하여 신규 합성된 M2SB MAX 계 산화물(M = Zr, Hf, Nb)의 기계적, 전자적, 광학적, 열적 성질을 조사하기 위해.
• 기존의 M2SC 탄화물과의 물리적 성질을 비교하기 위해.
• 기계적 성능(경도 및 탄성 이방성)을 평가하고 구조적 응용에 가장 유망한 후보를 규명하기 위해.
• Mulliken 분포 분석을 통해 결합 성질을 분석하고, 진동 분산 곡선을 통해 동적 안정성을 확인하기 위해.
• 광학적 성질을 분석하고, 특히 태양광 반사 코팅 응용 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 총 에너지 평가를 위해 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 응력-변형률 방법을 사용하여 탄성 상수, 엘라스티시티 모odulus, 전단 모odulus, 푸아송 비율, 부피 모odulus 계산.
• 탄성 상수를 기반으로 Vickers 경도 모델을 사용하여 마이크로경도(Hmicro) 및 마크로경도(Hmacro) 계산.
• Mulliken 분포 분석을 적용하여 M2SB 화합물 내 이온성 및 공유결합 기여도를 정량화.
• 전자 밀도 상태(DOS) 및 전하 밀도도 지도를 분석하여 결합 및 전자 행동을 해석하기 위해.
• 진동 분광 및 자유 에너지 계산을 통해 군집 상수(굴림률, 반사율, 흡수 계수) 및 열역학적 성질 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M2SB 산화물의 기계적 성질은 M2SC 탄화물과 비교해 강성, 경도 및 탄성 이방성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 M2SB 화합물 간 기계적 성능 차이의 근본 원인은 무엇이며, 어떤 화합물이 가장 우수한 조합의 성질을 보일까?
• RQ3 공유결합 및 이온결합 기여도가 M2SB 상의 탄성 및 기계적 반응에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 M2SB 화합물은 동적으로 안정한가? 그리고 진동 분산 곡선은 열역학적 안정성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 M2SB 화합물의 광학적 성질은 무엇이며, 특히 Zr2SB는 태양광 반사 코팅으로서의 가능성이 있는가?

주요 결과

• Nb2SB는 Mulliken 분석을 통한 추정 경도에서 가장 높은 Vickers 경도를 보이며, 연구된 M2SB 화합물 중에서 가장 뛰어난 기계적 성능을 보였다.
• 계산된 탄성 상수 및 모odulus는 가용한 실험 및 이론적 결과와 양호한 일치를 보이며, 계산 방법의 타당성을 입증하였다.
• 모든 M2SB 화합물에서 복소수 주파수의 부재로 인해 동적 안정성이 확인되었다.
• Zr2SB는 가시광선 및 가까운 적외선 영역에서 높은 반사율을 보이며, 태양광 반사 코팅 응용 가능성이 높다고 나타났다.
• 전자 구조 분석을 통해 금속성 특성이 확인되었으며, 패배대와 s-밴드가 패배 수준 근처에서 상당한 겹침을 보였다.
• Mulliken 분포 분석을 통한 결합 분석 결과, 공유결합과 이온결합의 혼합 기여도가 확인되었으며, Nb2SB에서는 공유결합이 지배적이었으며, 이는 경도 향상과 관련이 있었다.