Моделирование адсорбции лития в 4H–SiC, переноса электронов и термодинамических функций соединений системы Si–C–Li

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Используя теорию функционала плотности (DFT) исследованы адсорбционные, электронные и термодинамические свойства 2×2×1 и 3×3×1 суперъячеек бинарных соединений AnBm = 4H–SiC , a – Li2C2, LinSim) системы Si–C–Li. Установлено, что теоретическая емкость гексагонального политипа 4H–SiC, больше, чем у графита (370 мА⋅ч/г), используемого в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Кристаллические соединения AnBm обладают электронной проводимостью. При DFT-расчетах использовали обменно-корреляционный функционал в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA PBE). Рассчитаны параметры кристаллической структуры, энергия адсорбции адатома Liads на подложке 4H–SiC, электронная зонная структура и термодинамические свойства суперъячеек соединений AnBm . Определены термодинамически выгодное расположение Liads и стабильная конфигурация суперъячеек 4H–SiCads>. Проведены DFT-расчеты энтальпии образования соединений AnBm в тройной системе Si–C–Li. Вычисленные характеристики соединений AnBm согласуются с экспериментальными данными. Используя стандартные термодинамические потенциалы соединений AnBm и изменение энергии в твердофазных реакциях обмена между этими соединениями установлены равновесные конноды в концентрационном треугольнике Si–C–Li. Построено изотермическое сечение фазовой диаграммы Si–C–Li при 298 К.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. М. Асадов

Министерство науки и образования Азербайджана, Институт катализа и неорганической химии им. М. Ф. Нагиева; Министерство науки и образования Азербайджана, Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия (НИИ ГПНГХ АГУНП)”

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, AZ-1143 Баку; AZ-1010 Баку

С. Н. Мустафаева

Министерство науки и образования Азербайджана, Институт физики

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, AZ-1143 Баку

В. Ф. Лукичев

Российская академия наук, Физико-технологический институт им. К. А. Валиева

Email: salim7777@gmail.com
Россия, 117218 Москва

Список литературы

  1. Kimoto T., Cooper J.A. Fundamentals of Silicon Carbide Technology. Growth, Characterization, Devices, and Applications. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd. 2014. 538 p. ISBN978-1-118-31352-7. https://doi.org/10.1002/9781118313534
  2. Fan Y., Deng C., Gao Y. et al. // Carbon. 2021. V. 177. P. 357. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.02.095
  3. Guo J., Dong D., Wang J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. 2102546. P. 1. https://doi.org/10.1002/adfm.202102546
  4. Huggins R.A. Advanced Batteries – Materials Science Aspects. 1st ed., Science+Business Media, LLC. New York. 2009. 474 p. ISBN-13: 978-0387764238
  5. Drüe M., Kozlov A., Seyring M. et al. // J. Alloys Compd. 2015. S0925838815309312. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.235
  6. Liang S.-M., Drüe M., Kozlov A. et al. // Ibid. 2017. V. 698. P. 743. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.271
  7. Drüe M., Liang S.-M., Seyring M. et al. // Int. J. Mater. Res. 2017. V. 108. No 11. 146.111559. P. 933. https://doi.org/10.3139/146.111559
  8. He X., Tang A., Li Y., Zhang Y. et al. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 563. 150269. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150269
  9. Vasilevskiy K., Wright N.G. Ch. 1. In book: Advancing Silicon Carbide Electronics Technology II. Materials Research Foundations. 2020. V. 69. P. 1. https://doi.org/10.21741/9781644900673-1
  10. Kong L., Chai C., Song Y. et al. // AIP Advances. 2021. V. 11. 045107. P. 1. https://doi.org/10.1063/5.0044672
  11. Petersen R.J., Thomas S.A., Anderson K.J. et al. // J. Phys. Chem. C. 2022. P. 1. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c03948
  12. Ruschewitz U., Pöttgen R. // Z. Anorg. Allg. Chem. 1999. V. 625. No 10. P. 1599. https://doi.org/10.1002/(sici)1521-3749(199910)625:10<1599:: aid-zaac1599>3.0.co;2-j
  13. Kozlov A., Seyring M., Drüe M., et // J. Mater. Res. 2013. V. 104. No 11. P. 1066. https://doi.org/10.3139/146.110960
  14. Johanna N., Sumit K., Peter L. et al. // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. No 22. 224507. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4770268
  15. Tian N., Gao Y., Li Y. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2016. V. 5. No 2. P. 644. https://doi.org/10.1002/anie.201509083
  16. Ali S. // Madridge J. Nanotechnol Nanosci. 2017. V.2. No 1. P. 73. https://doi.org/10.18689/mjnn-1000113
  17. Gu M., He Y., Zheng J., Wang C. // Nano Energy. 2015. S221128551500350X. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.08.025
  18. Guo J., Dong D., Wang J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. P. 1. https://doi.org/10.1002/adfm.202102546
  19. Obrovac M.N., Christensen L. // Electrochem. Solid-State Lett. 2004. V. 7. No 5. P. A93. https://doi.org/10.1149/1.1652421
  20. Wu H., Cui Y. // Nano Today. 2012. V. 7. No 5. P. 414. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2012.08.004
  21. Morachevskii A.G., Demidov A.I. // Rus. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. No 4. P. 547. https://doi.org/10.1134/S1070427215040011
  22. Wang P., Kozlov A., Thomas D. et al. // Intermetallics. 2013. V. 42. P. 137. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.06.003
  23. Kim H., Chou C.-Y., Ekerdt J.G., Hwang G.S. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. P. 2514. https://doi.org/10.1021/jp1083899
  24. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. // J. Chem. Phys. 2016. V. 144. 034502. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4939716
  25. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. // Ibid. 2017. V. 146. No 6. 064502. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4975764
  26. Dębski A., Zakulski W., Major Ł. et al. // Thermochim. Acta. 2013. V. 551. P. 53. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.10.015
  27. Thomas D., Abdel-Hafiez M., Gruber T. // J. Chem. Thermodynamics. 2013. V. 64. P. 205. https://doi.org/10.1016/j.jct.2013.05.018
  28. Dębski A., Gąsior W., Góral A. // Intermetallics. 2012. V. 26. P. 157. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.04.001
  29. Thomas D., Zeilinger M., Gruner D. et al. // J. Chem. Thermodynamics. 2015. V. 85. P. 178. https://doi.org/10.1016/j.jct.2015.01.004
  30. Taubert F., Schwalbe S., Seidel J. et al. // Int. J. Mater. Res. 2017. V. 108. 146.111550. P. 943. https://doi.org/10.3139/146.111550
  31. Thomas D., Bette N., Taubert F. et al. // J. Alloys Compd. 2017. V. 704. 0925–8388. P. 398. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.010
  32. Taubert F., Thomas D., Hüttl R. et al. // Ibid. 2022. V. 897. 163147. P. 898. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163147
  33. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. // Rus. Microelectronics. 2022. V. 51. No. 2. P. 83. https://doi.org/10.1134/S1063739722010024
  34. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. // Phys. Solid State. 2022. V. 64. No. 5. P. 528. https://doi.org/10.21883/0000000000
  35. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. No 18. P. 3865. https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
  36. Asadov S.M., Mustafaeva S.N., Huseinova S.S., Lukichev V.F. // Russ. J. Phys. Chem A, 2024. V. 98. No 1. P. 1. https://doi.org/10.1134/S0036024424010023
  37. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S. et al. // Rus. Microelectronics. 2022. V. 51. No 6. P. 413. https://doi.org/10.1134/S1063739722700159
  38. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. 3rd edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yor. 2004. 690 p. ISBN978-3-642-62332-5.
  39. He J., Song X., Xu W. et al. // Mater. Lett. 2013. V. 94. P. 176. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2012.12.045
  40. Davydov S. Yu., Posrednik O.V. // Semicond. 2020. V. 54. Is. 11. P. 1197.
  41. Zhang Y.J., Yin Z.-P., Su Y., Wang D.-J. // Chin. Phys. B. 2018. V. 27. No 4. 047103.
  42. Zhao G.L., Bagayoko D. // New J. Phys. 2000. V. 2. P. 1. http://www.njp.org/
  43. CRC Handbook of Chemistry and Physics. D.R. Lide. Ed. CRC Press, Boca Raton, FL. 2005. http://www.hbcpnetbase.com
  44. Braga M.H., Dębski A., Gąsior W. // J. Alloys Compd. 2014. V. 616. P. 581. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.212
  45. Morris A.J., Grey C.P., Pickard C.J. // arXiv: 1402.6233v1 [cond-mat.mtr-sci] 25 Feb 2014. P. 1.
  46. Asadov M.M., Kuli-zade E.S. // J. Alloys Compd. 2020. V. 842. 155632. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155632

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Атомная структура 2×2×1 суперъячеек 4H–SiC (а) и 4H–SiC (б).

Скачать (82KB)
Метаданные
3. Рис. 2. DFT-GGA-PBE-рассчитанные электронная зонная структура (а), полная DOS (б) и парциальная плотности состояний PDOS (в) 3×3×1 суперъячеек на основе 4H–SiC и SW–SiC–Liads (г). PDOS, показывают отдельные вклады каждой атомной орбитали без учета эффекта спин-орбитальной связи. 1 – полная DOS, 2 – PDOS для Si, 3 – PDOS для C, 4 – PDOS для Li. Уровень Ферми установлен на ноль эВ.

Скачать (407KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Полная (DOS) и парциальная электронная плотность состояний (PDOS) a – Li₂C₂ с орторомбической сингонией: а) – 1 – DOS, 2 – PDOS C2s-2p-состояние, 3 – PDOS Li 1s-состояние; б) – DOS a – Li₂C₂. Уровень Ферми установлен на ноль эВ.

Скачать (149KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Электронная плотность состояний DOS соединения LiSi. 1 – Si 3s-состояние, 2 – Si 3p-состояние. Уровень Ферми установлен на ноль эВ.

Скачать (90KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изотермический разрез системы Si–C–Li при 298 К, построенный на основе DFT-GGA-PBE-расчетов с учетом известных термодинамических и экспериментальных данных.

Скачать (133KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024