硅酸铪的物理与力学性质：实验与第一性原理计算
材料科学
2020-03-18 v1
摘要
硅酸铪（HfSiO4：hafnon）已被提出作为一种环境障涂层（EBC）材料，用于保护高温下硅涂层、硅基陶瓷材料，并作为微电子器件中的候选介电材料。它可在二氧化硅（SiO2）与氧化铪（HfO2）的界面处自然形成。在这些应用中，其热膨胀系数（CTE）应与硅及 SiC 复合材料相匹配，以降低存储的弹性应变能，从而降低这些体系失效的风险。本文结合密度泛函理论（DFT）计算与实验评估，研究了 hafnon 的物理、力学、热力学与热输运性质。利用准谐近似计算的平均线性热膨胀系数（CTE）从 3.06×10⁻⁶ K⁻¹ 增至 6.36×10⁻⁶ K⁻¹（温度由 300 K 升至 1500 K），与 X 射线衍射晶格参数及膨胀仪测量结果一致。由玻尔兹曼输运理论预测的热导率在 300 K 时约为 18 W/m·K。热盘法与激光闪射法测得的热导率均为 13.3 W/m·K。这一略低的值表明实验样品中存在理论分析所未考虑的残余无序。采用第一性原理计算与纳米压痕技术分别评估了室温弹性常数与体积模量。两种方法得到的弹性性质相差在 5% 以内，验证了计算方法及其未来用于研究其他氧化物或硅酸盐热机械性质的可行性。
引用
@article{arxiv.2003.07546,
title = {The physical and mechanical properties of hafnium orthosilicate: experiments and first-principles calculations},
author = {Zhidong Ding and Mackenzie Ridley and Jeroen Deijkers and Naiming Liu and Md Shafkat Bin Hoque and John Gaskins and Mona Zebarjadi and Patrick Hopkins and Haydn Wadley and Elizabeth Opila and Keivan Esfarjani},
journal= {arXiv preprint arXiv:2003.07546},
year = {2020}
}