[论文解读] Recently predicted ternary boride Hf3PB4: Insights into the physical properties of this hardest possible boride MAX phase

M. A. Ali, M. M. Hossain+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2020

MXene and MAX Phase Materials参考文献 14被引用 7

一句话总结

这项从头算研究预测Hf3PB4是已知MAX相硼化物中最硬的，具有优异的力学、电子、热学和光学性能。其极端硬度源于强B-B共价键合以及高弹性模量，该结论通过态密度和电荷密度图映射得到证实，使其成为超硬材料应用的有前途候选者。

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.

研究动机与目标

• 研究最近预测的Hf3PB4 MAX相硼化物的力学、电子、热学和光学性能。
• 确定Hf3PB4是否在硬度和刚度方面超越所有已知的MAX相。
• 从电子和化学键合层面理解其优异的力学稳定性和高硬度的起源。
• 基于热力学和光学性能评估其在高温和光电应用中的潜力。
• 对一种热力学稳定但尚未实验合成的MAX相化合物进行全面的理论分析。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，确定Hf3PB4的电子结构和总能量。
• 使用广义梯度近似（GGA）结合PBE泛函计算晶格常数，并优化晶体结构。
• 计算弹性常数（Cij）以评估力学稳定性，并推导出杨氏模量、剪切模量和体积模量。
• 采用Voigt-Reuss-Hill近似，从弹性常数估算宏观和微观硬度（Hmacro和Hmicro）。
• 通过电荷密度图映射（CDM）和态密度（DOS）分析，识别化学键特征及费米能级附近的电子贡献。
• 利用声子和晶格动力学计算评估热力学性能，包括德拜温度、格鲁奈森参数、最小热导率和熔点。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hf3PB4的力学性能如何？其硬度和刚度与其它MAX相相比有何差异？
• RQ2 Hf3PB4的高硬度源于何处？其电子结构和化学键特性如何贡献于这一性能？
• RQ3 Hf3PB4的热学性能如何，特别是其熔点和热导率？与已知MAX相相比有何特点？
• RQ4 Hf3PB4的光学性能（如介电函数和反射率）如何支持其在光电应用中的潜力？
• RQ5 Hf3PB4是否具有力学稳定性？其电子结构是否如预测的那样表现出金属性行为？

主要发现

• Hf3PB4在所有已知MAX相纳米层状材料中表现出最高的计算宏观（Hmacro）和微观（Hmicro）硬度，其值超过先前合成的MAX相。
• Hf3PB4的C44计算值异常高，表明其对剪切形变具有极强的抵抗能力，这归因于其晶体结构中强B-B共价键合。
• 弹性模量（杨氏模量、剪切模量和体积模量）显著高于其他MAX相，证实其具有极高的刚度和力学稳定性。
• 电子结构显示金属性行为，其中主导的Hf-5d轨道态对费米能级附近的态密度有显著贡献。
• Hf3PB4是所有MAX相中预测熔点最高的，同时具有高德拜温度和低最小热导率。
• 光学性能显示强反射率和高介电响应，表明其在光电和防护涂层应用中具有潜力。