Predizione del fonone

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13198 (2022) Citare questo articolo

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Un metodo computazionale ad alto rendimento viene utilizzato per prevedere 39 nuovi superconduttori nelle fasi M\(_2\)AX basate su Ti, e i migliori candidati vengono poi studiati in modo più dettagliato utilizzando i calcoli dell'accoppiamento elettrone-fonone della teoria del funzionale della densità. I calcoli dettagliati concordano con le previsioni semplici e si prevede che i materiali Ti\(_2\)AlX (X: B, C e N) abbiano valori più elevati di \(T_c\) rispetto a qualsiasi M\(_2\) esagonale attualmente noto. Fasi AX. Gli stati elettronici al livello di Fermi sono dominati dagli stati Ti 3d. La scelta di X (X: B, C e N) ha un impatto significativo sulla densità elettronica degli stati ma non sulle caratteristiche dei fononi. Il parametro di accoppiamento elettrone-fonone per Ti\(_2\)AlX (X: B, C e N) è stato determinato essere 0,685, 0,743 e 0,775 con un \(T_c\) previsto di 7,8 K, 10,8 K e 13,0 K, rispettivamente.

Le fasi MAX sono carburi o nitruri esagonali con la formula chimica M\(_{n+1}\)AX\(_n\)1 dove n = 1, 2, 3, ecc. Qui, M è un metallo di transizione iniziale, A appartiene principalmente al gruppo 13–16 e X è C o N. Le fasi MAX presentano un'elevata tolleranza ai danni, un'eccellente resistenza allo shock termico, resistenza alla corrosione e all'ossidazione, elevata durata allo scorrimento viscoso, buona lavorabilità eccezionalmente tollerante ai danni e sono elettricamente e termicamente conduttive2, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Le proprietà fisiche dei carburi esagonali e dei nitruri nella fase ternaria della famiglia M\(_2\)AX sono state ampiamente studiate a causa della loro insolita combinazione di proprietà tipicamente associate a metalli e ceramiche. Inoltre, negli ultimi 2 anni, alcuni ceramici della fase M\(_2\)AX, incluso B come elemento X, sono stati sintetizzati per la prima volta13,14,15,16. Il boro e i suoi composti hanno importanti usi tecnologici grazie alle loro interessanti proprietà fisiche e chimiche17,18. Pertanto, si prevede che anche i boruri di fase MAX diventeranno promettenti candidati per la ricerca e l'applicazione, in particolare nell'industria nucleare grazie alla loro maggiore stabilità19. Hadi et al. hanno studiato l'impatto della sostituzione di B con C e N in Nb\(_2\)SX(X:B, C e N) sulle proprietà strutturali, elettroniche, meccaniche, termiche e ottiche. Hanno scoperto che rispetto a Nb\(_2\)SC e Nb\(_2\)SN, Nb\(_2\)SB era meccanicamente più forte, più covalente, più resistente alla deformazione di taglio e più elasticamente e otticamente isotropo19. Alcune fasi M\(_2\)AX sono superconduttori, con la più alta \(T_c\) conosciuta in Nb\(_2\)GeC che ha \(T_c\) = 10 K20.

Lo scopo di questo studio è prevedere nuovi materiali superconduttori all'interno della famiglia M\(_2\)AX basata su Ti e aumentare il massimo \(T_c\). Inoltre, presentiamo il primo studio sulla superconduttività nelle fasi M\(_2\)AX basate su boruri recentemente sintetizzate. Questa è una prova di principio del nostro metodo ad alto rendimento per esaminare rapidamente i superconduttori M\(_2\)AX per fornire indicazioni utili per gli esperimenti.

Tre materiali (Ti\(_2\)GeC, Ti\(_2\)InC e Ti\(_2\)InN) sono stati inizialmente studiati e confrontati con dati sperimentali noti \(T_c\) per creare un modello di screening ad alto rendimento per Materiali a base di Ti, basati sul modello di Fröhlich che abbiamo sviluppato per prevedere \(T_c\) nelle fasi M\(_2\)AX basate su Nb-C21. Abbiamo quindi utilizzato questo modello per selezionare 42 diversi materiali Ti\(_2\)AX (dove A: Al, Si, P, S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl e Pb; X : B, C e N). Per ogni X si è riscontrato che A = Al ha dato il massimo \(T_c\) previsto.

Nel 1963, Jeitschko et al. hanno riferito sulla produzione e caratterizzazione di Ti\(_2\)AlN22, da cui si è sviluppata la famiglia di fasi esagonali M\(_2\)AX. Finora sono state sintetizzate circa 60 fasi M\(_2\)AX1, ma solo 10 di esse hanno dimostrato di essere superconduttori nell'esperimento: Mo\(_2\)GaC (4,0 K)23, Nb\(_2\) SC (5,0 K)24, Nb\(_2\)AsC (2,0 K)25, Nb\(_2\)SnC (7,8 K)26, Ti\(_2\)InC (3,1 K)27, Nb\(_2 \)InC (7,5 K)28, Ti\(_2\)InN (7,3 K)29, Ti\(_2\)GeC (9,5 K)30, Lu\(_2\)SnC (5,2 K)31 e Nb\ (_2\)GeC (10,0 K)20. Di questi, Nb\(_2\)GeC ha il più alto \(T_c\)=10 K conosciuto. I tentativi di sintetizzare V\(_2\)AlN sono riusciti solo a far crescere la relativa fase cubica non-MAX, che è stata recentemente dimostrato essere superconduttore con \(T_c\) = 15,9 K32. Le fasi M\(_2\)AX hanno proprietà meccaniche molto utili, tra cui elevata tolleranza ai danni, eccellente resistenza agli shock termici, resistenza alla corrosione e all'ossidazione, elevata durata allo scorrimento viscoso e buona lavorabilità, che sono proprietà che non si trovano spesso nei superconduttori, e quindi potrebbero avere nuove applicazioni.