[논문 리뷰] Recently predicted ternary boride Hf3PB4: Insights into the physical properties of this hardest possible boride MAX phase

M. A. Ali, M. M. Hossain외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 12.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 Hf3PB4가 알려진 MAX 상 이탄화물 중에서 가장 경도가 높으며, 뛰어난 기계적, 전자적, 열적 및 광학적 성질을 갖는다고 예측한다. 극도로 높은 경도는 강한 B-B 공유 결합과 높은 탄성 계수에 기인하며, 밀도 상태 및 전하 밀도 매핑을 통해 확인되었으며, 이는 초경성 재료 응용 분야에서 유망한 후보이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최근 예측된 Hf3PB4 MAX 상 이탄화물의 기계적, 전자적, 열적 및 광학적 성질을 조사하기 위해.
• Hf3PB4가 모든 알려진 MAX 상들 중에서 경도와 경직성에서 슈퍼리어한지 판단하기 위해.
• 전자적 및 결합 수준에서 그 뛰어난 기계적 안정성과 고경도의 기원을 이해하기 위해.
• 열역학적 및 광학적 성질을 바탕으로 고온 및 옵티오일렉트로닉 응용 가능성을 평가하기 위해.
• 열역학적으로 안정적이지만 아직 실험적으로 합성되지 않은 MAX 상 화합물에 대한 종합적인 이론적 분석을 제공하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 총 에너지를 결정하기 위해 첫 번째 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 일반화된 기울기 근사(GGA)와 PBE 기능을 사용하여 격자 상수를 계산하고 결정 구조를 최적화하였다.
• 기계적 안정성을 평가하기 위해 탄성 계수(Cij)를 계산하고, 양력 모odulus, 전단 모odulus 및 부피 모odulus를 유도하였다.
• 보이틀-루이스-힐( Voigt-Reuss-Hill) 근사를 사용하여 탄성 계수에서 매크로스코픽 및 마이크로스코픽 경도(Hmacro 및 Hmicro)를 추정하였다.
• 전하 밀도 매핑(CDM) 및 밀도 상태(DOS) 분석을 통해 결합 특성과 페르미 수준 근처의 전자 기여를 확인하였다.
• 포논 및 격자 역학 계산을 통해 열역학적 성질, 즉 디바이 온도, 그루인제이너 계수, 최소 열전도도 및 융점 등을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Hf3PB4의 기계적 성질은 무엇이며, 다른 MAX 상들과 비교할 때 경도와 경직성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 Hf3PB4의 고경도 기원은 무엇이며, 전자적 및 결합 특성이 이에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 Hf3PB4의 열적 성질, 특히 융점과 열전도도는 무엇이며, 기존 알려진 MAX 상들과 비교해 보면 어떻게 될까?
• RQ4 Hf3PB4의 광학적 성질, 예를 들어 유전 함수 및 반사도는 잠재적인 옵티오일렉트로닉 응용을 뒷받침하는가?
• RQ5 Hf3PB4는 기계적으로 안정적인가, 그리고 전자 구조에 따라 예측된 바와 같이 금속적 행동을 보이는가?

주요 결과

• Hf3PB4는 모든 알려진 MAX 상 나노층상 구조 중에서 가장 높은 계산된 매크로스코픽(Hmacro) 및 마이크로스코픽(Hmicro)) 경도를 보이며, 이는 이전에 합성된 MAX 상들을 초월한다.
• Hf3PB4의 계산된 C44 값은 매우 높아 전단 변형에 대한 강한 저항성을 나타내며, 이는 결정 구조 내 강한 B-B 공유 결합에 기인한다.
• 탄성 계수(양력, 전단, 부피)는 다른 MAX 상들보다 뚜렷이 높아 극도로 뻣뻣하고 기계적으로 안정된 성질을 확인한다.
• 전자 구조 분석 결과 금속적 행동이 나타나며, 페르미 수준 근처의 밀도 상태에 주로 Hf-5d 상태가 기여한다.
• Hf3PB4는 모든 MAX 상 중에서 예측된 융점이 가장 높으며, 높은 디바이 온도와 낮은 최소 열전도도를 함께 갖는다.
• 광학적 성질 분석 결과 강한 반사도와 높은 유전 응답이 관찰되어 옵티오일렉트로닉 및 보호 코팅 응용 분야에 잠재적 활용 가능성이 있음을 시사한다.