Sc?AC（A = Ga, Ge）MAX相的机械稳定性及高压/高温行为：基于第一性原理的研究

《Solid State Communications》：Mechanical stability and high-pressure/high-temperature behavior of Sc 2AC (A = Ga, Ge) MAX Phases: A first-principles study

MAX相Sc?GaC和Sc?GeC的力学、热学及热力学性质通过第一性原理计算系统研究，揭示其在高压（20 GPa）和高温（1000 K）下保持结构稳定与热性能稳健的特性，首次预测Sc?GeC的存在。

　　

Ismail Ouadha | Ahmed Azzouz-Rached | Noureddine Bouteldja | Nadir Ouadha

阿尔及利亚Chlef市Hassiba BENBOUALI大学技术学院，通用核心科学与技术系

摘要

MAX相（M_n+1AX_n，其中M是早期过渡金属，A是A族元素，X = C或N）结合了金属和陶瓷的特性，使其成为先进结构和功能应用的有前景的材料。在这项工作中，我们使用第一性原理计算系统研究了Sc₂AC（A = Ga, Ge）MAX碳化物的结构、弹性、机械、热和热力学性质，在高达20 GPa的静水压力下进行。本文首次预测了Sc₂GeC的性质。优化的晶格参数和弹性常数（C_ij）满足了机械稳定性标准，而压力响应显示出单调的晶格收缩和近乎各向同性的压缩性，表明其在压缩下的结构稳定性。通过体模量和剪切模量、柯西压力、泊松比和Pugh比进一步评估了弹性行为。热性质在准谐Debye模型下进行了评估，包括德拜温度、Grüneisen参数、热膨胀系数和晶格热传输量（K_L和κ_min）。此外，还在宽压力（0–20 GPa）和温度（100–1000 K）范围内分析了热力学函数。这些结果表明，Sc₂GaC和Sc₂GeC在高压和高温条件下保持了机械稳定性和热稳定性。

引言

MAX相是一类独特的层状三元化合物（特别是氮化物和碳化物），以其将金属导电性与陶瓷般的强度和高热稳定性无缝结合而闻名[1]。它们表现出优异的机械性能、出色的热和电导率、抗氧化性、抗腐蚀性和抗热震性，以及对损伤的显著耐受性[2]。此外，一些成员还展示了超导性和半导体特性，进一步丰富了它们的多功能性[3,4]。这些特性使得MAX相成为多种苛刻应用的首选材料，包括耐火化合物、高温加热元件、电接触涂层、抗中子组件和热障系统[[5], [6], [7]]。

这些材料由通用化学式M_n+1 AX_n表示（其中n = 1, 2或3）。在这种结构中，M位被早期过渡金属占据，A位被13至16族的主族元素占据，X位被碳、氮或硼占据[8]。MAX相首次合成于20世纪60年代[9,10]，它们在六方P6₃/mmc空间群中结晶，由M_n+1 AX_n层与A元素的单原子层交替堆叠[10,11]。这种层状排列产生了金属键合和共价键合的结合，这是它们多功能性的基础。此外，MAX相是MXenes的前体，MXenes是一类具有卓越电子、催化和储能特性的二维材料[12]。

虽然实验研究建立了对MAX相的基本理解，但自Medvedeva等人的开创性工作以来，理论研究迅速扩展，提供了预测性见解[13]。对Ti₃ SiC₂基固溶体的从头算研究表明，密度泛函理论（DFT）能够准确确定其结构、电子和机械性质[14]。例如，Aryal等人[14]研究了792种MAX相，其中665种在热力学和弹性上是稳定的，包括M位含有钪的化合物[14]。Dahlqvist等人[15]报告了524种稳定相，其中182种是新预测的，这突显了第一性原理方法在发现新MAX相方面的持续作用。

基于Sc的MAX相因其独特的结构和功能特性而受到特别关注[[16], [17], [18]]。从结构上看，基于Sc的MAX相与传统的基于Ti、Cr或V的MAX相不同，因为钪较大的原子半径和较低的价电子密度创造了独特的M–X键合环境，增强了晶格的灵活性，并具有特征性的c/a比率。这些特性使得Sc₂AC相在极端压力和温度条件下具有更好的应变适应性，使其比3d过渡金属对应的相更适用。从功能上看，这些结构差异转化为适中的刚度、高热稳定性、可调的压力机械性质以及相对较低的晶格热导率[[19], [20], [21]]。结合其固有的金属导电性，这些特性使得Sc₂AC化合物特别适合用于高温中间层和热障涂层（TBCs）中的键合涂层材料，使它们区别于许多更硬且更脆的MAX相。

多项研究探讨了特定的基于Sc的MAX相。Li You Bing等人[16]通过熔盐法合成了Sc₂SnC，并对其结构、电子性质和机械行为进行了详细的DFT分析。Music等人[17]研究了Sc₂AC（A = Al, Ga, In, Ti）的电子属性，而Bouhemadou等人[18]考察了它们的结构和弹性特性。Ali等人[19]研究了Sc₂AlC，评估了其热力学、光学和晶格动力学性质，并提出了将其用作太阳能屏蔽材料的建议。Hadi等人[20]研究了Sc₂SnC中的键合、缺陷和电子结构。最近，使用火花等离子烧结法合成了Sc₂GaC和Sc₂InC[21]，扩展了基于Sc的MAX相家族，并为先进的功能应用提供了有希望的候选材料。

尽管最近取得了进展，但基于Sc的MAX相仍然相对较少被研究，许多基本性质仍然未知[22]。特别是，Sc₂ GaC直到最近才被确认为稳定相[21,23]，而Sc₂ GeC尚未合成或系统研究。为了解决这些空白，我们使用广义梯度近似（GGA）和准谐Debye模型进行了全面的从头算研究，以在不同温度和压力条件下研究它们的结构、弹性、机械、热和热力学性质。据我们所知，这是首次对Sc₂ GaC和Sc₂ GeC在耦合压力–温度参数下的全面研究，提供了关于它们内在性质的新见解，并突出了它们与更广泛研究的MAX相相比的独特结构–性质关系。

计算方法

第一性原理模拟使用了基于密度泛函理论（DFT）的WIEN2k计算包[24]，采用了全势线性化增强平面波（FP-LAPW）方法。这种稳健的全电子方法在模拟核心电子和价电子之间的耦合方面具有出色的准确性，特别适用于分析氢化物系统中的复杂键合特性。我们进行了全面的结构研究，

结构性质

Sc₂AC（A = Ga, Ge）MAX相具有六方晶体结构，采用空间群P6₃/mmc（编号194）。它们的单元格包含两个化学式单位，显示出MAX相的典型层状结构，由M₆C八面体与沿c轴定向的A位原子层交错排列（图1）。碳原子的Wyckoff坐标为（0,0,0）和（0,0,1/2），定义了M₆C八面体的中心点。A位原子（Ga或Ge）

结论

我们进行了全面的Sc₂AC（A = Ga, Ge）MAX碳化物的第一性原理研究，系统地探讨了它们在高达20 GPa的压力和高达1000 K的温度下的结构、机械、热力学和热性质。Sc₂GaC和预测的Sc₂GeC均满足Born–Huang机械稳定性标准，表现出高硬度、弹性模量和晶格韧性，表明了强共价键合。尽管存在内在的脆性和中等断裂韧性，

CRediT作者贡献声明

Ismail Ouadha：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，资源，形式分析。Ahmed Azzouz-Rached：撰写——原始草稿，软件，资源，方法论。Noureddine Bouteldja：可视化，软件，资源，研究。Nadir Ouadha：研究，形式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。