첫 번째 Sc의 전자 구조, 기계적 동작, 격자 역학 및 결함 프로세스에 대한 DFT 통찰력

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14037(2022) 이 기사 인용

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여기에서는 기존 M2SnC 단계와 비교할 결함 프로세스를 포함하여 첫 번째 Sc 기반 MAX 단계 Sc2SnC의 일부 물리적 특성을 조사하기 위해 밀도 범함수 이론 계산을 사용했습니다. 계산된 구조적 특성은 실험값과 잘 일치합니다. 새로운 단계 Sc2SnC는 구조적, 기계적, 동적으로 안정적입니다. Sc2SnC는 공유결합 특성과 이온 특성이 혼합된 금속성입니다. M2SnC를 포함한 Sc2SnC의 공유성은 대부분 유효 원자가에 의해 제어됩니다. M2SnC 제품군의 Sc2SnC는 변형성과 부드러움 측면에서 2위를 차지합니다. Sc2SnC의 탄성 이방성 수준은 다른 M2SnC 단계에 비해 보통입니다. M2SnC를 포함한 Sc2SnC의 경도와 융점은 벌크 모듈러스의 추세를 따릅니다. M2SnC 제품군의 다른 구성원과 마찬가지로 Sc2SnC는 2D MXene으로 에칭될 가능성이 있으며 열 차단 코팅 재료가 될 가능성이 있습니다.

60년 전에 H상으로 발견된 3원 적층 계열의 화합물은 이제 MAX 상으로 불립니다1,2. 이 계열은 화학적으로 Mn+1AXn으로 표시됩니다. 여기서 M은 전이 금속이고 A는 A족 원소이며 X는 탄소, 질소 또는 붕소3입니다. 정수 n을 M 원자의 층 지수라고 합니다. n에 따르면 MAX 위상 제품군은 지금까지 211, 312, 413, 514, 615 및 716 MAX 위상3과 같은 6개의 하위 제품군으로 나뉩니다. 이 제품군은 많은 금속 및 세라믹 특성을 보유하고 있기 때문에 금속 세라믹으로도 설명되었습니다3. 금속과 유사하게 일부 MAX 상은 전기 및 열 전도성이 있고 열충격에 강하고 손상에 강하며 가공이 용이합니다. 다시 말하지만, 일부는 가볍고, 내마모성이 있고, 탄성이 강하고, 부서지기 쉽고, 산화 및 부식에 강하기 때문에 세라믹과 유사합니다.

MAX 상의 결정 구조는 A 원자 층의 정사각형 평면 슬래브로 보간된 MX6 팔면체의 거의 밀집된 층으로 구성됩니다. 이들에서 X 원자는 M 원자 사이의 팔면체 부위를 차지합니다. A 원자는 삼각 프리즘의 중심에 위치하며 이는 팔면체 위치보다 약간 크므로 상대적으로 큰 A 원자를 더 잘 수용할 수 있습니다4. 삽입된 순수 A 요소 평면은 지그재그 Mn+1Xn 슬래브에 대한 거울 평면입니다. 또는 MAX 위상의 구조는 c축을 따라 원자적으로 층을 이루는 고도로 대칭적인 단위 셀로 구성됩니다. 단위 셀에서 (n + 1) 세라믹 MX 층은 두 개의 금속 A 층 사이의 c 축을 따라 적층됩니다. 이러한 원자층의 두께는 나노미터 범위 내에 있으며 이것이 MAX 위상이 때때로 나노적층판으로 불리는 이유입니다. 금속 및 세라믹 층의 주기적인 배열은 MAX 상의 금속 및 세라믹 특성의 이유입니다. MAX 단계는 항공우주에서 원자로에 이르기까지 수많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다5. 최근에는 MAX 단계를 사용하여 에너지 저장 재료 및 전기화학 커패시터, 마이크로 슈퍼커패시터 및 배터리의 전극으로 사용되는 2차원 MXene을 합성합니다.

Li 이온 전해질에서 Nb2SnC의 매력적인 전기화학적 성능에 대한 보고로 인해 Sn 함유 MAX 상에 대한 관심이 지역사회에서 상당합니다7. 중요한 것은 이 보고서 이후에 발견된 3개의 MAX 단계 중 2개가 Sn 기반 MAX 단계라는 것입니다. MAX 제품군의 새로운 구성원은 V2SnC10, Zr2SeC11 및 Sc2SnC12입니다. 마지막 단계는 전체 결정학 정보와 함께 보고된 최초의 Sc 기반 MAX 단계입니다. 이전에는 Sc2InC가 논문13의 H상 목록에 포함되었지만 결정학적 데이터가 없었고 출처가 비공개 통신으로 언급되었습니다. 현재까지 Sc2InC의 합성 및 특성화에 대한 실험적 증거는 없습니다. 따라서 Sc2SnC는 MAX 제품군 중 최초의 Sc 기반 화합물이라고 추론할 수 있습니다. 반면, 서로 다른 M 원자를 갖는 A-사이트 원소로 Sn을 포함하는 6개의 211 MAX 탄화물이 있습니다. 이들은 V2SnC, Lu2SnC, Ti2SnC, Nb2SnC, Hf2SnC 및 Zr2SnC입니다. 이러한 단계는 광범위하게 연구되었으며 가능한 적용은 다양한 연구에서 예측됩니다. Kanounet al. DFT14를 사용하여 Ti2SnC, Zr2SnC, Hf2SnC 및 Nb2SnC의 기계적, 전자적, 화학적 결합 및 광학적 특성을 연구했습니다. Bouhemadou는 M2SnC(M = Ti, Zr, Nb, Hf) 상의 구조적 및 탄성 특성에 대한 압력 효과에 대한 이론적 연구를 수행했습니다15. Hadiet al. 5개의 Sn 기반 211 MAX 단계4에서 전자 구조, 결합 특성 및 결함 프로세스를 조사했습니다. Lu2SnC MAX 상의 기계적 거동, 격자 열전도도 및 진동 특성도 조사되었습니다. V2SnC MAX 상은 이론적으로 화학적으로 안정하고 손상 및 방사선에 내성이 있는 TBC 물질로 예측됩니다. Sc2SnC는 M2SnC 상 중에서 예외적입니다. M 원소 Sc는 일반적으로 MAX 화합물에서 전이 금속인 희토류 원소이기 때문입니다. 따라서 Sc2SnC는 M2SnC MAX 단계 중에서 고유합니다. 이는 특정 A 원자 기반 MAX 탄화물의 물리적 특성에 대한 M 원소의 역할을 이해하기 위해 기존의 모든 Sn 기반 211 MAX 상 탄화물을 고려하는 것을 목표로 하는 현재 DFT 조사에 동기를 부여했습니다. 여기서 우리는 Sc2SnC의 비커스 경도 및 결함 공정을 포함한 구조적, 전자적, 기계적 및 열적 특성을 체계적으로 계산했습니다. 파생된 특성은 이전에 합성된 M2SnC MAX 단계에서 발견된 특성과 비교되어 비교를 용이하게 하고 기존 M2SnC MAX 단계 중 Sc2SnC 특성의 편차를 탐색합니다.

Ti2SnC > Lu2SnC > Zr2SnC > Hf2SnC > Sc2SnC > V2SnC. The main contribution to the total DOS at EF comes from the d-orbital of Sc. The d-resonance at the surroundings of EF and the finite value of the total DOS at EF indicates the metallic character of Sc2SnC and this is a common feature of MAX phases. The total DOS of Sc2SnC at EF is 3.10 states/eV-uc, which is about half of V2SnC (6.12 states/eV-uc) and between the range (2.35–3.93 states/eV-uc) of other M2SnC phases4,17. Above the EF, the antibonding states arise due to d-orbitals of M atom in Sc2SnC in similar to other M2SnC MAX phases./p> V2SnC > Hf2SnC > Ti2SnC > Zr2SnC > Sc2SnC > Lu2SnC./p> Sc2SnC > Nb2SnC > Zr2SnC > V2SnC > Hf2SnC > Ti2SnC. The Young's modulus of MAX phases can be related to the exfoliation energy. The smaller the Young's modulus, the softer the system and hence the lower the exfoliation energy and the higher the possibility of etching into 2D MXenes52. The four MAX phases Ti2AlC, Ti2AlN, V2AlC, and Nb2AlC in the 211 family are exfoliated experimentally into MXenes53. Their theoretical Young's moduli54 range from 262 to 312 GPa and exfoliation energies53 range from 0.164 to 0.205 eV/Å2. V2AlC has the highest Young's modulus (~ 312 GPa) and consequently has the highest exfoliation energy (0.205 eV/Å2). As the Young's moduli of the Sn-based 211 MAX phases under study range from 152 to 219 GPa, their exfoliation energies can be expected to be lower than 0.205 eV/Å2. Very recently, the exfoliation energies of Sc2SnC, Ti2SnC, V2SnC, Zr2SnC, Nb2SnC, and Hf2SnC are calculated to be 0.131, 0.164, 0.137, 0.157, 0.150, and 0.158 eV/Å2, respectively55. These values lie within the range between 0.131 and 0.164 eV/Å2, which are lower than the range of 0.164 and 0.205 eV/Å2. As the Young's modulus of Lu2SnC is lowest in the M2SnC phases considered here, its exfoliation energy can be expected to lie within this range. The lower the exfoliation energy, the higher the possibility to be etched experimentally into 2D MXenes. Therefore, Lu2SnC and other M2SnC phases considered here are more likely to be etched into 2D MXenes than V2AlC. Further, the Young's modulus E has a good relation to the thermal shock resistance R: R ∝ 1/E56. The lower the Young's modulus, the better the thermal shock resistance. A material of higher thermal shock resistance (i.e., lower Young's modulus) has the potential to be used as a TBC material. The Young's modulus of Sc2SnC and other M2SnC MAX phases are lower than that of a potential TBC material TiO2 whose Young modulus is 283 GPa57. Therefore, Sc2SnC and other existing M2SnC phases have possibility to be TBC materials if they also have high thermal expansion coefficient and melting point, low thermal conductivity, and good oxidation resistance./p> and < 010 > directions, is A1 = (C11 + C12 + 2C334C12)/6C44; the equation of A2, for the {010} shear planes between < 101 > and < 001 > directions, is A2 = 2C44/(C11C12); and the equation of A3, for the {001} shear planes between < 110 > and < 010 > directions, is A3 = (C11 + C12 + 2C334C13)/3(C11C12). Deviation of Ai from unity ΔAi (= Ai ~ 1) quantifies the degree of shear anisotropy of crystals. The calculated Ai is listed in Table S4 and the anisotropy level ΔAi is shown in Fig. 4c. Considering the average on all the planes, Ti2SnC is elastically less anisotropic and Nb2SnC is elastically highly anisotropic. Sc2SnC ranks third in view of less anisotropy in the M2SnC family: Nb2SnC > Hf2SnC > Zr2SnC > Lu2SnC > Sc2SnC > V2SnC > Ti2SnC. Individually, in the {100} shear planes Nb2SnC is highly anisotropic; in the {010} shear planes Nb2SnC is again highly anisotropic and in the {001} shear planes Hf2SnC is highly anisotropic./p> 1, the material is more compressible along the c-axis than along the a-axis. Therefore, Sc2SnC, Ti2SnC and Lu2SnC are slightly more compressible along the c-axis than along the a-axis while V2SnC, Zr2SnC, Nb2SnC and Hf2SnC are compressed more easily along the a-axis than along the c-axis./p>