摘要
MAX相兼具金属和陶瓷特性,同时是MXene的先驱体材料。进一步扩充MAX相的构型成为近年来关注的一个热点。已有研究表明,A位元素替换是合成新型MAX构型的重要方式。为了探索更多新颖物性的MAX结构,本文采用第一性原理密度泛函方法研究了三十一种Ti3AC2(A=Al,Si,P,S,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,In,Sn,Sb,Te,Os,Ir,Pt,Au,Hg,TI,Pb,Bi,Po)MAX结构的结构、力学、电学性质及其稳定性。 此外,考察了表征MAX剥离成MXene难易程度的界面结合强度。研究结果表明,A位元素对于MAX的物理性能具有显著调控作用。对于同一周期的A元素,当A位于12族时,Ti3AC2沿c轴方向的晶格参数呈现最大,这源于Ti3AC2的Ti与A元素外壳层电子的d-d和p-d轨道杂化的协同作用。Ti3SC2的杨氏模量高达360 GPa,比熟知的Ti3SiC2高6.82%。Ti3SbC2呈现力学各向同性。基于力学、动力学以及热力学稳定性判据,Ti3AC2(A=Al,Si,P,S,Ga,Ge,As,Cd,In,Sn,Sb,Au,Hg,Pb,TI,Po)是稳定结构,而Ti3AC2(A=Fe,Co,Zn,Se,Ru,Rh,Pd,Ag,Te,Ir,Pt,Bi)是亚稳结构。相对于常用的MXene先驱体Ti3AlC2,Ti3AC2(A=Ag,Sb,Te,Bi,Po)呈现更低的Ti-A界面结合强度,及更高的相邻Ti-C和Ti-A界面强度比,这表明这些结构可能是合成大尺寸Ti3C2 MXene的理想先驱体构型。研究的结构都呈现金属性,其中Ti3FeC2和Ti3CoC2具有磁性。基于晶格振动谱和能带结构,Ti3AC2在声子晶体和拓扑材料等方面同样具备潜在应用价值。
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