Approfondimenti DFT sulla struttura elettronica, sul comportamento meccanico, sulla dinamica del reticolo e sui processi dei difetti nel primo Sc

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14037 (2022) Citare questo articolo

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Qui abbiamo utilizzato i calcoli della teoria del funzionale della densità per studiare alcune proprietà fisiche della prima fase MAX Sc2SnC basata su Sc, inclusi i processi di difetto da confrontare con quelli delle fasi M2SnC esistenti. Le proprietà strutturali calcolate sono in buon accordo con i valori sperimentali. La nuova fase Sc2SnC è strutturalmente, meccanicamente e dinamicamente stabile. Sc2SnC è metallico con una miscela di carattere covalente e ionico. La covalenza di Sc2SnC incluso M2SnC è controllata principalmente dalla valenza effettiva. Sc2SnC nella famiglia M2SnC è al secondo posto nella scala di deformabilità e morbidezza. Il livello di anisotropia elastica in Sc2SnC è moderato rispetto alle altre fasi M2SnC. La durezza e il punto di fusione di Sc2SnC, incluso M2SnC, seguono l'andamento del modulo di massa. Come altri membri della famiglia M2SnC, Sc2SnC ha il potenziale per essere inciso negli MXeni 2D e ha il potenziale per essere un materiale di rivestimento con barriera termica.

I composti della famiglia laminata ternaria, scoperti sessant'anni fa come fasi H, sono ora indicati come fasi MAX1,2. Questa famiglia è rappresentata chimicamente da Mn+1AXn, dove M è un metallo di transizione, A è un elemento del gruppo A e X è carbonio, azoto o boro3. L'intero n è chiamato indice di strato dell'atomo M. Secondo n, la famiglia di fasi MAX è finora divisa in sei sottofamiglie, come le fasi 211, 312, 413, 514, 615 e 716 MAX3. Questa famiglia è stata descritta anche come ceramica metallica perché possiede molte proprietà metalliche e ceramiche3. Similmente ai metalli, alcune fasi MAX sono elettricamente e termicamente conduttive, resistenti allo shock termico, tolleranti ai danni e facilmente lavorabili. Ancora una volta, assomigliano alla ceramica, poiché alcuni di essi sono leggeri, resistenti all'usura, elasticamente rigidi, fragili e resistenti all'ossidazione e alla corrosione.

La struttura cristallina delle fasi MAX è costituita da strati quasi ravvicinati di ottaedri MX6 interpolati con lastre planari quadrate di strati atomici A. In questi gli atomi X occupano i siti ottaedrici tra gli atomi M. Gli atomi A risiedono al centro di prismi trigonali, che sono leggermente più grandi dei siti ottaedrici e possono quindi accogliere meglio gli atomi A relativamente grandi4. I piani di puro elemento A interposti sono piani speculari rispetto alle lastre zigzaganti Mn+1Xn. In alternativa, la struttura delle fasi MAX è costituita da celle unitarie altamente simmetriche stratificate atomicamente lungo l'asse c. Nella cella unitaria, gli (n + 1) strati ceramici MX sono impilati lungo l'asse c tra i due strati A metallici. Lo spessore di questi strati atomici rientra nell'intervallo dei nanometri e questo è il motivo per cui le fasi MAX vengono talvolta definite nanolaminati. La disposizione periodica degli strati metallici e ceramici è la ragione delle proprietà metalliche e ceramiche delle fasi MAX. Le fasi MAX hanno numerose potenziali applicazioni che vanno dal settore aerospaziale ai reattori nucleari5. Recentemente, le fasi MAX vengono utilizzate per sintetizzare gli MXeni bidimensionali, che vengono utilizzati come materiali di accumulo dell'energia e come elettrodi in condensatori elettrochimici, micro-supercondensatori e batterie6,7,8,9.

L'interesse per la fase MAX contenente Sn è notevole nella comunità a causa del rapporto sulle prestazioni elettrochimiche interessanti di Nb2SnC negli elettroliti agli ioni di litio7. È importante sottolineare che due delle tre fasi MAX scoperte dopo questo rapporto sono fasi MAX basate su Sn. Questi nuovi membri della famiglia MAX sono V2SnC10, Zr2SeC11 e Sc2SnC12. L'ultima è la prima fase MAX basata su Sc riportata con informazioni cristallografiche complete. In precedenza, Sc2InC era stato incluso in un elenco delle fasi H in un articolo13, tuttavia, senza dati cristallografici e la fonte era menzionata come comunicazione privata. Fino ad ora non esistono prove sperimentali per la sintesi e la caratterizzazione di Sc2InC. Pertanto, si può dedurre che Sc2SnC è il primo composto a base di Sc della famiglia MAX. D'altra parte, ci sono sei carburi 211 MAX contenenti Sn come elemento del sito A con diversi atomi di M. Questi sono V2SnC, Lu2SnC, Ti2SnC, Nb2SnC, Hf2SnC e Zr2SnC. Queste fasi sono studiate approfonditamente e le loro possibili applicazioni sono previste in diversi studi. Kanoun et al. hanno studiato il legame meccanico, elettronico, chimico e le proprietà ottiche di Ti2SnC, Zr2SnC, Hf2SnC e Nb2SnC utilizzando DFT14. Bouhemadou ha condotto uno studio teorico dell'effetto della pressione sulle proprietà strutturali ed elastiche delle fasi M2SnC (M = Ti, Zr, Nb, Hf)15. Hadi et al. hanno studiato le strutture elettroniche, la natura dei legami e i processi dei difetti nelle cinque fasi 211 MAX basate su Sn4. Sono stati studiati anche il comportamento meccanico, la conduttività termica reticolare e le proprietà vibrazionali della fase Lu2SnC MAX16. Teoricamente si prevede che la fase V2SnC MAX sia un materiale TBC chimicamente stabile, resistente ai danni e alle radiazioni17. Sc2SnC è eccezionale tra le fasi M2SnC in quanto il suo elemento M Sc è un elemento delle terre rare, che, in generale, nei composti MAX è tipicamente un metallo di transizione. Pertanto, Sc2SnC è unica tra le fasi M2SnC MAX. Ciò ha motivato la presente indagine DFT che mira a considerare tutti i carburi di fase 211 MAX a base Sn esistenti, in modo da comprendere il ruolo degli elementi M sulle proprietà fisiche di un particolare carburo MAX a base di atomo A. Qui abbiamo calcolato sistematicamente le proprietà strutturali, elettroniche, meccaniche e termiche, inclusa la durezza Vickers e i processi di difetto di Sc2SnC. Le proprietà derivate vengono confrontate con quelle trovate per le fasi M2SnC MAX precedentemente sintetizzate in modo da facilitare il confronto ed esplorare la deviazione delle proprietà di Sc2SnC tra le fasi M2SnC MAX esistenti.