采用基于研究的结构、弹性和热导率的单层钙氢溴酸盐

文摘

近年来,一些实验室已经能够制备钙氢溴酸盐(CaHBr)氢化融化和溴化无水或金属和溴化氢气氛在900°C和研究了它的一些性质。但是很少有理论研究,特别是单层CaHBr的理论研究。我们使用采用方法计算结构,弹性属性和晶格热导率的单层CaHBr基于玻耳兹曼输运方程。我们获得一个稳定的单层CaHBr晶体结构的优化。通过计算单层CaHBr的弹性常数,其机械稳定性证明,和单层的弹性极限CaHBr是单层CaHBr通过双轴拉伸应变。和相应的声子谱没有想象中的频率,表明单层CaHBr的动态稳定性。ShengBTE代码,我们计算晶格热导率的单层CaHBr,耳背式的迭代解和区域贸易协定在300 K - 1200 K,在室温下和晶格热导率 和 ,分别。可以看出单层CaHBr的晶格热导率低。通过分析声子谱,散射率、和声子的平均自由程,单层CaHBr的晶格热导率主要取决于声学模式。我们希望这项研究可以为实验提供理论指导和实际应用的单层CaHBr。

1。介绍

石墨烯的发现打破了预测二维(2 d)晶体材料不能稳定在有限温度下存在(1- - - - - -6]。各种二维材料是有限的在二维平面上由于载体迁移和热扩散。它使材料表现出许多奇怪的属性和吸引了广泛关注7- - - - - -11]。近年来,一些学者开始关注单层钙氢溴酸盐(CaHBr) [12- - - - - -14),可以由融化氢化物与无水溴化(15)或金属与溴化氢气氛在900°C (14]。

可以使用氢化物ion-conducting电解质的电化学检测氢在液态钠快反应堆的冷却剂。一些实验室发现CaBr₂氢化-CaHBr系统有一个固态电解质,进行离子,可以用来开发一个电化学氢计,系统将显示CaBr之间的共晶反应₂和CaHBr 576°C (13]。1996年,德卡斯特罗康等。12)获得Ca-HBr复杂的键能独立交叉分子束和范德瓦耳斯光谱学实验。最近,Kumar et al。15)测量的摩尔热容散装CaHBr通过差示扫描量热法。可以看出,大部分的一些性质CaHBr研究了在实验中,但很少有理论研究,特别是单层CaHBr的热输运性质。

单层CaHBr是无磁性的宽带隙半导体电子和声子热运营商的声子主导传热。晶格热导率是一个关键参数的热传输半导体和绝缘体(16- - - - - -19]。佩尔斯提出了半导体的晶格热导率(20.),绝缘体可以被描述在微指令级别使用声子玻耳兹曼输运方程(耳背式)21]。自那以后,发现了许多方法来计算热导率的材料,如弛豫时间近似(等)22和Callway的模型23,24),等与非弹性散射过程原则上,Callway模型和所需的参数只能通过拟合实验数据25]。因此,这些方法有相应的局限性。

众所周知,ShengBTE代码(26)可以用来获得晶格热导率通过求解玻耳兹曼输运方程基于谐波和不和谐的原子之间的力常数的计算采用基于[27]。到目前为止,ShengBTE代码已经成功获得许多材料的导热系数和相关物理量(28- - - - - -33]。在这项工作中,我们将使用ShengBTE代码计算热导率的单层CaHBr,希望能提供未来实验和理论参考价值。

2。理论计算方法和细节

晶体结构是优化利用维也纳从头开始模拟包(VASP) [34,35基于密度泛函理论)。Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)功能下的广义梯度近似(GGA)被选为交换相关功能(36,37]。为了消除层交互,我们使用一个真空层。我们使用平面波的截止能量为600 eV,电子的能量收敛放松到10⁻⁸电动汽车, Monkhorst-Pack网格k分抽样进行结构优化。优化的单元格是扩展的超晶胞 ,然后,二阶谐波力常数(谐波的行列)和三阶非谐力常数(非谐的行列)计算通过使用Phonopy软件和ShengBTE,分别。和使用Phonopy软件包也可以声子频率。

已经有许多研究详细晶格热导率的计算使用ShengBTE代码(25,26,30.,31日];这里,我们只是简要介绍这种方法。由此产生的线性化声子散射源时耳背式只有two-phonon和three-phonon过程可以写成 在哪里弛豫时间的模式 ,从微扰理论。事实上,设置零相当于工作等。three-phonon散射率可以表示为 ; ,在哪里的声子频率模式吗 ,和正常流程对应 ,而翻转过程对应 。

晶格热导率可以获得的吗作为 在哪里是单位细胞体积。在ShengBTE中实现的方法,方程(2)从零级近似 。停止准则是相对变化的电导率张量小于一个可配置的参数计算。停在第0迭代相当于操作等。此外,许多物理量也可以计算ShengBTE代码,如标量平均自由程为模式 。

3所示。结果与讨论

3.1。结构和弹性性质

获得的初始结构单层CaHBr从散装CaHBr属于正交结构(P4)晶体。为了获得单层CaHBr的平衡几何结构,我们使用GGA方法计算晶格常数和获得的总能量E和相应的细胞体积V;energy-volume (E- - - - - -V)数据然后安装Vinet方程(29日]。因此,我们获得平衡晶格常数 ,这是与另一个理论值一致 (38]。

弹性常数材料是关键的意义物理量测量机械能源和重要参数来反映材料的力学性能39- - - - - -41]。因此,弹性常数的计算具有重要意义的测量弹性极限下晶格的外部压力。我们可以计算出弹性常数通过使用二维材料的体积弹性常数的相关理论。在表1,我们列出了计算弹性常数 , , ,和 ,可用于获得层模量 ,杨氏模量卡文迪什下坐标(它的方向[10]和[01]在二维材料),和泊松比(42,43]。

单层CaHBr满足稳定性判据,可以表达的四个必要和充分条件的确定机械稳定性(40,41]: , (散装材料 )> 0, (44,45]。因此,单层CaHBr机械稳定。从单层CaHBr的弹性常数,它可以看到比石墨烯和小(43,46),这表明它是一个二维材料硬度较弱。

应力-应变曲线可以用来估计单层CaHBr的弹性极限。在计算中,因为CaHBr的晶格常数x设在和y设在相同,相应的双轴拉伸应变,如图1。这是我们的双轴应力-应变曲线。从图可以看出1单层CaHBr可以承受的最大应力在双轴条件下是4.11 N / m,这对应于一个菌株的28%。与其他二维材料相比,单层CaHBr有较弱的抗拉能力32,42]。

3.2。声子谱和散射率

我们计算单层CaHBr图的声子色散曲线2(一个)一起的主要视图和侧视图原始单元细胞单层CaHBr(图2 (b))。结果表明,没有虚频的高对称方向声子谱,这表明其动态稳定性(25,47]。

在图3,我们说明声子模式的贡献在室温下总晶格热导率。声子声分支显然占据晶格热导率的单层CaHBr,而光学分支的贡献很小。虽然光学分支的贡献很小,声波的散射光学分支提供了一个渠道模式,导致three-phonon散射。因此,光学分支的贡献不容忽视(29日,48]。

总聚合声子散射率的单层CaHBr室温数据中所示4和5对应的声学模式和视觉模式,分别。我们注意到有一个差距声学和光学分支,与声子的光谱图一致2(一个)。三个声学声子散射率的光学分支的分支比这小得多,从中可以看出声学部门主要对这种材料的导热系数。

3.3。声子平均自由程和热导率

通过计算声子平均自由程(MFP),我们可以了解材料的大小影响导热系数。在图6,我们将展示之间的功能关系累积晶格热导率和最大平均自由程(MFP)在室温下。当画用对数刻度曲线为水平轴,我们能找到一个逻辑函数曲线的相似性,表明适用于下面的非参数函数形式:

这是发现从图6的声学声子长度为0 - 3.5 nm导致导热系数,而光学声子大于3.5 nm导热贡献小。

对于设备的效率和可靠性,热传输特性的材料是非常重要的。目前,没有实验数据和理论数据单层CaHBr的导热系数。通过测试温度的导热系数的敏感性,功能性晶格热导率与温度之间的关系可以得到图7,我们显示晶格热导率单层CaHBr的温度从30 K到1200 K的 k-grid scalebroad = 1.0。可以看出,晶格热导率随温度的增加呈指数增长在低温下,往往是成正比的 在高温下。晶格热导率的单层CaHBr室温 和 分别为耳背式和等。

4所示。结论

基于密度泛函理论和玻耳兹曼输运方程,研究了结构、弹性、晶格热导率的单层CaHBr。获得的平衡晶格常数 是与另一个理论值一致 。力学和热力学稳定的单层CaHBr证明获得的弹性性质和声子谱没有想象的频率。单层的弹性极限CaHBr通过双轴拉伸应变。二阶和三阶原子间力常数使用有限差分法获得的。热导率的单层CaHBr室温 和 ,分别由耳背式和等迭代。这两种方法可以获得好的结果单层CaHBr的热导率的计算。可以看出单层CaHBr获得的晶格热导率很低,结果表明晶格热导率主要取决于声学模式。我们希望我们的研究结果可以为实验提供理论指导的探索和应用分层单层CaHBr的相关属性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持中国的贵州科技基金(批准号[2017]1125)。作者也承认对计算资源的支持由中国工程物理研究院和中国高分子材料工程国家重点实验室在四川大学。

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