[论文解读] 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. Hossain+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

MXene and MAX Phase Materials参考文献 87被引用 9

一句话总结

本研究采用第一性原理计算，全面分析了新型 M2SB MAX 相硼化物（M = Zr, Hf, Nb）的物理性质，并与传统 M2SC 碳化物进行比较。Nb2SB 化合物表现出最佳的机械性能，其共价-离子键合、动力学稳定性、金属性质以及作为太阳能反射涂层的潜力，均通过电子结构和光学分析得到证实。

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.

研究动机与目标

• 采用第一性原理方法研究新合成的 M2SB MAX 相硼化物（M = Zr, Hf, Nb）的机械、电子、光学及热学性质。
• 对比 M2SB 硼化物与其传统 M2SC 碳化物对应物的物理性质。
• 评估机械性能，包括硬度与弹性各向异性，识别最具前景的结构应用候选材料。
• 通过 Mulliken 电荷布居分析研究化学键特性，并利用声子色散曲线确认动力学稳定性。
• 研究光学性质，并评估其作为太阳能反射涂层应用的潜力。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）的密度泛函理论（DFT）计算方法，进行电子结构与总能量评估。
• 利用应力-应变法计算弹性常数、杨氏模量、剪切模量、泊松比及体积模量。
• 基于弹性常数，采用维氏硬度模型计算微观硬度（Hmicro）与宏观硬度（Hmacro）。
• 应用 Mulliken 电荷布居分析，量化 M2SB 化合物中离子键与共价键的贡献。
• 通过态密度（DOS）与电荷密度分布图分析，解释化学键合与电子行为。
• 从声子谱与吉布斯自由能计算出发，评估光学常数（折射率、反射率、消光系数）与热力学性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 M2SB 硼化物在刚度、硬度与弹性各向异性方面与 M2SC 碳化物相比如何？
• RQ2 M2SB 化合物之间机械性能差异的根源是什么？哪一种化合物表现出最佳的综合性能？
• RQ3 共价键与离子键的贡献在多大程度上影响 M2SB 相的弹性与机械响应？
• RQ4 M2SB 化合物是否具有动力学稳定性？声子色散曲线揭示了其热力学稳定性如何？
• RQ5 M2SB 化合物的光学性质如何？它们是否可作为太阳能反射涂层使用，特别是 Zr2SB？

主要发现

• Nb2SB 在所有研究的 M2SB 化合物中表现出最高的维氏硬度（通过 Mulliken 分析估算）与最佳的整体机械性能。
• 计算得到的弹性常数与模量与现有实验及理论结果高度一致，验证了计算方法的可靠性。
• 所有 M2SB 化合物的声子色散曲线中均未出现虚频，证实其具有动力学稳定性。
• Zr2SB 在可见光与近红外波段表现出高反射率，显示出作为太阳能反射涂层的强潜力。
• 电子结构分析证实其具有金属性质，费米能级附近 d 带与 s 带存在显著重叠。
• 通过 Mulliken 电荷布居分析的键合分析显示，存在共价与离子键的混合贡献，其中 Nb2SB 中以共价键为主导，与硬度增强现象密切相关。