[论文解读] A real-space experimental model for negative thermal expansion in scandium trifluoride

Martin T. Dove, Juan Du+3 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2019

Thermal Expansion and Ionic Conductivity被引用 3

一句话总结

本研究利用总中子散射数据，建立了钪三氟化物（ScF3）中原子运动的实空间模型，揭示了负热膨胀（NTE）源于刚性单元模式与八面体畸变模式的共同作用。与以往假设不同，准谐近似结合非谐修正能准确描述NTE，为理解真实材料中该现象提供了新框架。

ABSTRACT

Negative thermal expansion (NTE) - the phenomenon where some materials shrink rather than expand when heated - is both intriguing and useful, but remains poorly understood. Current understanding hinges on the role of specific vibrational modes, but in fact thermal expansion is a weighted sum of contributions from every possible mode. Here we overcome this difficulty by deriving a real-space model of atomic motion in the prototypical NTE material scandium trifluoride, ScF3, from total neutron scattering data. We show that NTE in this material depends not only on rigid unit modes - the vibrations in which the scandium coordination octahedra remain undistorted - but also on modes that distort these octahedra. Furthermore, in contrast with previous predictions, we show that the quasiharmonic approximation coupled with renormalisation through anharmonic interactions describes this behaviour well. Our results point the way towards a new understanding of how NTE is manifested in real materials.

研究动机与目标

• 开发ScF3中原子运动的实空间模型，以更好地理解负热膨胀（NTE）的起源。
• 研究刚性单元模式与八面体畸变模式对ScF3中NTE的贡献。
• 检验准谐近似结合非谐修正是否能准确描述该典型材料中的NTE行为。
• 通过考虑原子运动的完整频谱，克服以往模型仅聚焦特定振动模式的局限性。

提出的方法

• 收集总中子散射数据，以探测ScF3中的原子对分布函数（PDF）。
• 利用PDF直接从实验数据重构实空间中的原子位移和振动模式。
• 推导出描述ScF3八面体中刚性单元模式与畸变模式的实空间原子运动模型。
• 将准谐近似应用于所推导的原子运动，并通过非谐效应的修正来评估其对热膨胀的影响。
• 通过将预测的热膨胀与实验测量值对比，对模型进行验证。
• 利用完整的原子位移分布量化不同振动模式对整体热膨胀的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ScF3中，刚性单元模式与八面体畸变模式对负热膨胀的相对贡献如何？
• RQ2 准谐近似结合非谐修正能否准确描述ScF3中的热膨胀行为？
• RQ3 包括以往未被强调的模式在内的完整振动模式，如何影响NTE材料中的宏观热膨胀？
• RQ4 与基于倒空间分析的模型相比，实空间原子运动模型在多大程度上提升了对NTE的理解？

主要发现

• ScF3中的负热膨胀源于刚性单元模式与导致ScF6八面体畸变的振动模式的共同作用。
• 当通过修正处理非谐相互作用时，准谐近似能准确捕捉到观测到的NTE行为。
• 八面体畸变模式对NTE有显著贡献，挑战了长期以来仅关注刚性单元模式的观念。
• 基于中子散射数据推导出的实空间模型，比以往的理论模型提供了更完整且基于实验的原子运动描述。
• 本研究表明，在理解NTE时，必须考虑全部振动模式，而不仅仅是特定模式。
• 结果表明，非谐效应在调控NTE材料宏观热膨胀响应中起着关键作用。