Ab-initio дослідження сполук ікосаедричного бору з атомами Al, Mg, C, О, Si

  

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України , Київ
l.ovsiannikova@ipms.kyiv.ua
Usp. materialozn. 2024, 8/9:3-12
https://doi.org/10.15407/materials2024.08-09.001

Анотація

У розвиток теоретичної бази створення композитних матеріалів на основі високобористих сполук, експлуатаційні характеристики яких будуть більш високими, ніж у існуючих, виконано ab-initio дослідження ізольованих кластерів з ікосаедричного бору з атомами заміщення Al, Mg, C, О, Si. У рамках теорії електронної густини DFT із застосуванням пакету Gamess розраховано геометричні та енергетичні параметри ізольованих кластерів В11М + В11М, де М — атом заміщення Al, Mg, C, O, Si. Досліджено енергію когезії, заряд на атомах, розподіл електронної густини між атомами у кластерах. Зроблено висновок, що розмір атому заміщення має обумовлююче значення для енергії зчеплення кластерів В11М + В11М. Найбільш перспективними з точки зору енергетичної вигідності досліджених кластерів є B11С + В11С та В11Si + В11Si. На основі даних квантово-хімічних розрахунків обчислено модуль об’ємної пружності кластера В12, який становить 177,5 ГПа, що демонструє високий збіг із його експериментальним значенням (178 ГПа). Побудовано термодинамічний ряд твердості кластерів, який відповідає ряду енергії зчеплення атомів: .HB22O2 > HВ22C2 > HВ24 > HВ22Si2 > HB22Al2 > HB22Mg2. Значення твердості, розраховані за результатами першопринципного дослідження кластерів, добре узгоджуються з експериментальними даними для сполук з подібним хімічним складом. Методика може бути використана для прогнозу вибору атомів заміщення в угрупуваннях ікосаедричного бору.


Завантажити повний текст

БОР, БОРИДИ, МОДЕЛЬ ІЗОЛЬОВАНОГО КЛАСТЕРА, МОДУЛЬ ОБ’ЄМНОЇ ПРУЖНОСТІ, ТВЕРДІСТЬ

Посилання

1. Oganov, A. R., Chen, J., Gatti, C., Ma, Y., Ma, Y., Glass, C. W., Liu, Z., Yu, T., Kurakevych, O. O. & Solozhenko, V. L. (2009). Ionic high-pressure form of elemental boron. Nature, Vol. 457 (7231), pp. 863—867. https://doi.org/10.1038/nature07736

2. Oganov, A. R., Solozhenko, V. L. (2009). Boron: a hunt for superhard polymorphs. J. Superhard Mater., Vol. 31, pp. 285—291. https://doi.org/10.3103/S1063457609050013

3. Albert, B., & Hillebrecht, H. (2009). Boron: elementary challenge for experimenters and theoreticians. Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 48 (46), pp. 8640— 8668. https://doi.org/10.1002/anie.200903246

4. Khan, A. U., Domnich, V., & Haber, R. A. (2017). Boron carbide-based armors: Problems and possible solutions. Amer. Ceram. Soc. Bull., Vol. 96 (6), pp. 30—35. https://www.researchgate.net/publication/318947893_Boron_carbidebased_armors_Problems_and_possible_solutions

5. Domnich, V., Reynaud, S., Haber, R. A., & Chhowalla, M. (2011). Boron carbide: structure, properties, and stability under stress. J. Amer. Ceram. Soc., Vol. 94 (11), pp. 3605—3628. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x

6. Cook, B. A., Harringa, J. L., Lewis, T. L., & Russell, A. M. (2000). A new class of ultra-hard materials based on AlMgB14. Scripta Mater., Vol. 42 (6), pp. 597—602. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(99)00400-5

7. Jiang, X., Zhao, J., Wu, A., Bai, Y., & Jiang, X. (2010). Mechanical and electronic properties of B12-based ternary crystals of orthorhombic phase. J. Phys.: Cond. Mater., Vol. 22 (31), pp. 315503. https://doi.org/10.1088/0953- 8984/22/31/315503

8. Kevorkijan, V., Skapin, S. D., Jelen, M., Krnel, K., & Meden, A. (2006). Processing and characterization of AlMgB14—xTiB2 composites. Amer. Ceram. Soc. Bull., Vol. 85, pp. 9501—9517.

9. He, D., Zhao, Y., Daemen, L., Qian, J., Shen, T. D., & Zerda, T. W. (2002). Boron suboxide: As hard as cubic boron nitride. Appl. Phys. Lett., Vol. 81 (4), pp. 643— 645. https://doi.org/10.1063/1.1494860

10. Ivashchenko, V. I., Shevchenko, V. I., & Turchi, P. E. A. (2009). First-principles study of the atomic and electronic structures of crystalline and amorphous B4C. Phys. Rev. B, Vol. 80 (23), pp. 208—235. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.235208

11. Kartuzov, V., Rozhenko, N., Efimova, E., & Danilyuk, V. M. (2020). Applying simulation results of high-boron compounds of structure at the atomic level to estimate their chemical hardness. Usp. Materialozn., No. 1, pp. 8—16 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/materials2020.01.008

12. Ovsiannikova, L. I., Lashkarev, G. V., Kartuzov, V. V., Myroniuk, D. V., Dranchuk, M. V., & Ievtushenko, A. I. (2021). The study of the behavior of Al impurity in ZnO lattice by a fullerene like model. Phys. Chem. Solid State, Vol. 22 (2), pp. 204—208. https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.204-208

13. Ovsiannikova, L. I., Rozhenko, N. M. (2021). The estimation of energy and elastic properties of TiAlNb materials based on results of first principles calculations. Usp. Materialozn., No. 3, pp. 55—65 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/materials2021.03.055

14. Rozhenko, N., Ovsiannikova, L., & Kartuzov, V. (2024). Estimation of the lattice parameter and lattice distortion based on the results of Ab initio study of structural fragments of TiVZrNbMo, TiVZrNbHf, and TiVZrNbTa multicomponent alloys. Defect and Diffusion Forum, Vol. 431, pp. 13—19. Trans Tech Publications Ltd. http://dx.doi.org/10.4028/p-4Am5dM

15. Schmidt, M. W., Baldridge, K. K., Boatz, J. A., Elbert, S. T., Gordon, M. S., Jensen, J. H., Koseki, S., Matsunaga, N., Nguyen, K. A., Su, S. J., Windus, T. L., Dupuis, M. & Montgomery Jr. J. A. (1993). General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem., Vol. 14 (11), pp. 1347—1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

16. Chemcraft — graphical software for visualization of quantum chemistry computations. Version 1.8, build 682. Retrieved from https://www.chemcraftprog.com

17. Bokiy, G. B. (1971). Crystal chemistry. Moskva: Nauka [in Russian].

18. Brazhkin, V. V., Lyapin, A. G., & Hemley, R. J. (2002). Harder than diamond: Dreams and reality. Phil. Mag. A, Vol. 82 (2), pp. 231—253. https://doi.org/10.1080/01418610208239596

19. Mukhanov, V. A., Kurakevych, O. O., & Solozhenko, V. L. (2010). Thermodynamic model of hardness: Particular case of boron-rich solids. J. Superhard Mater., Vol. 32, pp. 167—176. https://doi.org/10.3103/S1063457610030032

20. Murrell, J. N., Kettle, S. F. A., & Tedder, J. M. (1969). Valence theory. 2nd ed. London; New York, J. Wiley. 428 p. ISBN-10 : 0471626880 ISBN-13 : 978- 0471626886.

21. Gilman, J. J., Cumberland, R. W., & Kaner, R. B. (2006). Design of hard crystals. J. Refract. Metals Hard Mater., Vol. 24 (1—2), pp. 1—5. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2005.05.015

22. Livshits, B. G. (1959). Physical properties of metals and alloys. Moskva: Mashgiz [in Russian]

23. Kittel, Ch. (1978). Introduction to solid state physics. Moskva: Nauka [in Russian]. URL: https://kzf.kpi.ua/wp-content/uploads/2021/09/kittel.pdf

24. Ormont, B. F. (1956). Relation between the chemical and mechanical strength of very hard materials. Dokl. Akad. Nauk SSSR, Vol. 106 (4), pp. 686—690. [in Russian].