Previsão de fônon

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13198 (2022) Cite este artigo

1358 acessos

2 Citações

2 Altmétrica

Detalhes das métricas

Um método computacional de alto rendimento é usado para prever 39 novos supercondutores nas fases M\(_2\)AX baseadas em Ti, e os melhores candidatos são então estudados com mais detalhes usando cálculos de acoplamento elétron-fônon da teoria funcional da densidade. Os cálculos detalhados concordam com as previsões simples, e prevê-se que os materiais Ti\(_2\)AlX (X: B, C e N) tenham valores mais altos de \(T_c\) do que qualquer M\(_2\) hexagonal atualmente conhecido. Fases do AX. Os estados eletrônicos no nível de Fermi são dominados pelos estados Ti 3d. A escolha de X (X: B, C e N) tem um impacto significativo na densidade eletrônica dos estados, mas não nas características do fônon. O parâmetro de acoplamento elétron-fônon para Ti\(_2\)AlX (X: B, C e N) foi determinado como sendo 0,685, 0,743 e 0,775 com um \(T_c\) previsto de 7,8 K, 10,8 K e 13,0 K, respectivamente.

As fases MAX são carbonetos ou nitretos hexagonais com a fórmula química M\(_{n+1}\)AX\(_n\)1 onde n = 1, 2, 3, etc. Aqui, M é um metal de transição inicial, A é principalmente do grupo 13–16 e X é C ou N. As fases MAX exibem alta tolerância a danos, excelente resistência a choque térmico, resistência à corrosão e oxidação, alta vida útil de fluência, boa usinabilidade excepcionalmente tolerante a danos e são eletricamente e termicamente condutivas2, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. As propriedades físicas de carbonetos e nitretos hexagonais na fase ternária da família M\(_2\)AX têm sido extensivamente estudadas devido à sua combinação incomum de propriedades tipicamente associadas a metais e cerâmicas. Além disso, nos últimos 2 anos, algumas cerâmicas de fase M\(_2\)AX, incluindo B como elemento X, foram sintetizadas pela primeira vez13,14,15,16. O boro e seus compostos possuem importantes aplicações tecnológicas devido às suas interessantes propriedades físicas e químicas17,18. Como tal, também se espera que os boretos de fase MAX se tornem candidatos promissores para pesquisa e aplicação, particularmente na indústria nuclear devido à sua maior estabilidade19. Hadi et ai. investigaram o impacto da substituição de B por C e N em Nb\(_2\)SX(X:B, C e N) nas propriedades estruturais, eletrônicas, mecânicas, térmicas e ópticas. Eles descobriram que comparado ao Nb\(_2\)SC e Nb\(_2\)SN, o Nb\(_2\)SB era mecanicamente mais forte, mais covalente, mais resistente à deformação por cisalhamento e mais elasticamente e opticamente isotrópico19. Algumas fases M\(_2\)AX são supercondutoras, com o maior \(T_c\) conhecido em Nb\(_2\)GeC que tem \(T_c\) = 10 K20.

O objetivo deste estudo é prever novos materiais supercondutores dentro da família M\(_2\)AX à base de Ti e aumentar o \(T_c\) máximo. Além disso, apresentamos o primeiro estudo de supercondutividade nas fases M\(_2\)AX baseadas em boreto recentemente sintetizadas. Esta é uma prova de princípio de nosso método de alto rendimento para rastrear rapidamente supercondutores M\(_2\)AX para fornecer orientação útil para experimentos.

Três materiais (Ti\(_2\)GeC, Ti\(_2\)InC e Ti\(_2\)InN) foram inicialmente estudados e comparados com dados experimentais \(T_c\) conhecidos para criar um modelo de triagem de alto rendimento para Materiais à base de Ti, com base no modelo de Fröhlich que desenvolvemos para prever \(T_c\) em fases M\(_2\)AX baseadas em Nb-C21. Em seguida, usamos esse modelo para selecionar 42 materiais Ti\(_2\)AX diferentes (onde A: Al, Si, P, S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl e Pb; X : B, C e N). Para cada X verificou-se que A = Al deu o maior \(T_c\) previsto.

Em 1963, Jeitschko e cols. relataram a fabricação e caracterização do Ti\(_2\)AlN22, a partir do qual se desenvolveu a família de fases hexagonais M\(_2\)AX. Até agora, cerca de 60 fases M\(_2\)AX foram sintetizadas1, mas apenas 10 delas mostraram ser supercondutoras em experimentos: 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. Destes, Nb\(_2\)GeC tem o \(T_c\)=10 K mais alto conhecido. As tentativas de sintetizar V\(_2\)AlN tiveram sucesso apenas no crescimento da fase não MAX cúbica relacionada, que recentemente foi mostrou ser supercondutor com \(T_c\) = 15,9 K32. As fases M\(_2\)AX têm propriedades mecânicas muito úteis, incluindo alta tolerância a danos, excelente resistência a choques térmicos, resistência à corrosão e oxidação, alta vida útil à fluência e boa usinabilidade, que são propriedades raramente encontradas em supercondutores, e assim poderia ter novas aplicações.