Insights DFT sobre a estrutura eletrônica, comportamento mecânico, dinâmica de rede e processos de defeitos no primeiro Sc

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14037 (2022) Citar este artigo

1299 acessos

2 Citações

Detalhes das métricas

Aqui, empregamos os cálculos da teoria funcional da densidade para investigar algumas propriedades físicas da primeira fase Sc2SnC do MAX baseada em Sc, incluindo processos de defeitos para comparar com os das fases M2SnC existentes. As propriedades estruturais calculadas estão de acordo com os valores experimentais. A nova fase Sc2SnC é estrutural, mecânica e dinamicamente estável. Sc2SnC é metálico com uma mistura de caráter covalente e iônico. A covalência de Sc2SnC incluindo M2SnC é principalmente controlada pela valência efetiva. Sc2SnC na família M2SnC ocupa o segundo lugar na escala de deformabilidade e suavidade. O nível de anisotropia elástica em Sc2SnC é moderado em comparação com as outras fases M2SnC. A dureza e o ponto de fusão do Sc2SnC, incluindo o M2SnC, seguem a tendência do módulo de massa. Como outros membros da família M2SnC, o Sc2SnC tem potencial para ser gravado em MXenes 2D e tem potencial para ser um material de revestimento de barreira térmica.

Os compostos da família dos laminados ternários, descobertos há seis décadas como as fases H, são agora referidos como as fases MAX1,2. Esta família é representada quimicamente por Mn+1AXn, onde M é um metal de transição, A é um elemento do grupo A e X é carbono ou nitrogênio ou boro3. O inteiro n é chamado de índice de camada do átomo M. De acordo com n, a família de fases MAX é dividida em seis subfamílias até agora, como 211, 312, 413, 514, 615 e 716 fases MAX3. Essa família também tem sido descrita como cerâmicas metálicas por possuir muitas propriedades metálicas e cerâmicas3. Semelhante aos metais, algumas fases do MAX são eletricamente e termicamente condutoras, resistentes a choques térmicos, tolerantes a danos e prontamente usináveis. Mais uma vez, eles se assemelham à cerâmica, pois alguns deles são leves, resistentes ao desgaste, elasticamente rígidos, quebradiços e resistentes à oxidação e à corrosão.

A estrutura cristalina das fases MAX consiste em camadas quase compactas de octaedros MX6 interpoladas com lajes planares quadradas de camadas atômicas A. Nestes, os átomos X ocupam os locais octaédricos entre os átomos M. Os átomos A residem no centro dos prismas trigonais, que são ligeiramente maiores que os locais octaédricos e podem, portanto, acomodar melhor os relativamente grandes átomos A4. Os planos puros de elemento A interpostos são planos de espelho para as lajes Mn+1Xn em ziguezague. Alternativamente, a estrutura das fases MAX consiste em células unitárias altamente simétricas que são atomicamente dispostas ao longo do eixo c. Na célula unitária, as (n + 1) camadas MX de cerâmica são empilhadas ao longo do eixo c entre as duas camadas A metálicas. A espessura dessas camadas atômicas está dentro da faixa nanométrica e é por isso que as fases MAX são às vezes chamadas de nanolaminados. O arranjo periódico das camadas metálicas e cerâmicas é a razão das propriedades metálicas e cerâmicas das fases MAX. As fases MAX têm inúmeras aplicações potenciais, desde aeroespacial até reatores nucleares5. Recentemente, as fases MAX são usadas para sintetizar os MXenes bidimensionais, que estão sendo usados ​​como materiais de armazenamento de energia e como eletrodos em capacitores eletroquímicos, microssupercapacitores e baterias6,7,8,9.

O interesse na fase MAX contendo Sn é considerável na comunidade por causa do relatório sobre o desempenho eletroquímico atraente de Nb2SnC em eletrólitos de íons de lítio7. É importante ressaltar que duas das três fases MAX descobertas após este relatório são fases MAX baseadas em Sn. Esses novos membros da família MAX são V2SnC10, Zr2SeC11 e Sc2SnC12. A última é a primeira fase MAX baseada em Sc relatada com informações cristalográficas completas. Anteriormente, Sc2InC foi incluído em uma lista de fases H em um artigo13, porém, sem nenhum dado cristalográfico e a fonte foi mencionada como comunicação privada. Até o momento não há evidências experimentais para a síntese e caracterização de Sc2InC. Portanto, pode-se inferir que o Sc2SnC é o primeiro composto à base de Sc da família MAX. Por outro lado, existem seis carbonetos 211 MAX contendo Sn como elemento A-site com diferentes átomos de M. Estes são V2SnC, Lu2SnC, Ti2SnC, Nb2SnC, Hf2SnC e Zr2SnC. Essas fases são estudadas extensivamente e suas possíveis aplicações são previstas em diferentes estudos. Kanoun et al. estudaram as ligações mecânicas, eletrônicas, químicas e propriedades ópticas de Ti2SnC, Zr2SnC, Hf2SnC e Nb2SnC usando DFT14. Bouhemadou realizou um estudo teórico do efeito da pressão nas propriedades estruturais e elásticas das fases M2SnC (M = Ti, Zr, Nb, Hf)15. Hadi et ai. investigaram as estruturas eletrônicas, naturezas de ligação e processos de defeitos nas cinco fases do 211 MAX à base de Sn4. O comportamento mecânico, a condutividade térmica da rede e as propriedades vibracionais da fase Lu2SnC MAX também foram investigados16. A fase V2SnC MAX é teoricamente prevista como um material TBC quimicamente estável, tolerante a danos e radiação17. Sc2SnC é excepcional entre as fases M2SnC, pois seu elemento M Sc é um elemento de terras raras, que, em geral, nos compostos MAX é tipicamente um metal de transição. Portanto, Sc2SnC é único entre as fases M2SnC MAX. Isso motivou a presente investigação DFT que visa considerar todos os carbonetos de fase 211 MAX baseados em Sn existentes, de modo a entender o papel dos elementos M nas propriedades físicas de carbonetos MAX baseados em um átomo de A específico. Aqui, calculamos sistematicamente as propriedades estruturais, eletrônicas, mecânicas e térmicas, incluindo a dureza Vickers e os processos de defeitos do Sc2SnC. As propriedades derivadas são comparadas com aquelas encontradas para fases M2SnC MAX previamente sintetizadas, de modo a facilitar a comparação e explorar o desvio das propriedades de Sc2SnC entre as fases M2SnC MAX existentes.