立方早期过渡金属氮化物中价电子浓度与氮空位诱导的弹性
材料科学
2023-05-30 v1
摘要
受立方过渡金属氮化物（TMNx）薄膜中频繁报道的偏离化学计量比现象启发，本文通过密度泛函理论（DFT）计算系统研究了氮空位浓度对立方 TiNx、ZrNx、VNx、NbNx 和 MoNx（0.72<x<1.00）弹性性质的影响。针对 VNx（0.77<x<0.97）的实验验证了上述预测。DFT 结果表明，TMNx 的弹性行为取决于氮空位浓度和过渡金属的价电子浓度（VEC）：TiNx 和 ZrNx 表现出空位诱导的弹性模量降低，而 VNx 和 NbNx 则显示增加。这些趋势可通过考虑空位诱导的弹性各向异性和成键变化来解释。虽然在 TiNx 中引入氮空位导致各方向弹性模量显著降低及 Ti-N 平均键强下降，但 VNx 中 [001] 方向的空位诱导降低被 [011] 和 [111] 方向更高的刚度所超额补偿，从而导致 V-N 平均键强更高。为实验验证预测的空位诱导弹性变化，在 MgO(001) 衬底上生长了近单晶 VNx（0.77<x<0.97）。随着 N 含量降低，由 X 射线衍射探测的弛豫晶格参数 a0 从 4.128 A 减小到 4.096 A。如纳米压痕所测定，晶格参数的减小伴随着弹性模量异常增加 11%。由于实验数据与预测相符，VNx 中氮空位形成导致的弹性增强可基于同时发生的弹性各向异性和成键变化来理解。
引用
@article{arxiv.2305.17539,
title = {Valence electron concentration- and N vacancy-induced elasticity in cubic early transition metal nitrides},
author = {Soheil Karimi Aghda and Dimitri Bogdanovski and Lukas Loefler and Heng Han Sua and Lena Patterer and Damian M. Holzapfel and Arnaud le Febvrier and Marcus Hans and Daniel Primetzhofer and Jochen M. Schneider},
journal= {arXiv preprint arXiv:2305.17539},
year = {2023}
}
备注
30 pages, 8 figures in the manuscript, 1 figure in supplementary materials