بررسي ويژگي‌هاي فيزيكي تركيب‌هاي X2MgHg, XMgHg2, XMg2Hg, LiScMgHg , XTiMgHg an‎d XMgNaHg (X=Li an‎d Sc)

دكتري

فيزيك - فيزيك ماده چگال

فيزيك

1404/07/30

155 ص .

زهرا نوربخش , امين الله واعظ

داريوش وشايي

نظريه‌ي تابعي چگالي ويژگي‌هاي الكتروني , مولفه‌هاي تانسور كشساني , ويژگي‌هاي مكانيكي , ناهمسانگردي كشساني

اين مطالعه به بررسي ويژگي‌هاي ساختاري، مكانيكي، پراكندگي فونوني و الكترونيكي تركيب‌هايX2MgHg, XMg2Hg, XMgHg2 (X=Li, Sc, Ti) و LiTiMgHg با استفاده از محاسبه‌ها اصول نخست مي‌پردازد. پايداري اين تركيب‌هاي از طريق منحني‌هاي انرژي-حجم، انرژي همدوسي، انرژي تشكيل و تحليل پراكندگي فونوني تأييد شده است. محاسبه‌ها كل انرژي-حجم نشان مي‌دهد كه تركيب‌هاي Li2MgHg و ScMg2Hg در ساختار مكعبي با گروه فضايي F4̅3m (216) پايدارترند، در حالي كه ساير تركيب‌ها در ساختار Fm3̅m (225) پايدار هستند. پراكندگي فونوني محاسبه شده نشان مي‌دهد كه تركيب‌هاي X2MgHg, XMg2Hg, XMgHg2 (X=Li, Sc, Ti) و LiTiMgHg به جز Li2MgHg و ScMg2Hg در ساختار بلوري Fm3̅m از پايداري ديناميكي برخوردارند. ويژگي‌هاي مكانيكي با محاسبه ضرايب كشساني كه معيارهاي بورن-هوانگ را ارضا مي‌‌كنند سنجيده شده‌اند كه نشان‌دهنده پايداري مكانيكي است. محاسبه‌ها كشساني نشان مي‌دهد تركيب‌ها مبتني بر Sc داراي مدول حجمي، مدول برشي و مدول يانگ بالاتري نسبت به تركيب‌ها مبتني بر Li هستند و Sc2MgHg بيشترين سختي را دارد. نسبت پواسون و نسبت پوگ نشان مي‌دهد كه ScMgHg2 و ScMg2Hg شكل‌پذير هستند، در حالي كه ساير تركيب‌ها شكننده‌اند. مقادير مثبت فشار كاچي نشان‌دهنده پيوندهاي فلزي‌مانند است و محاسبه‌ها ناهمسانگردي كشساني آشكار مي‌كند كه ScMg2Hg ناهمسانگردي قابل توجهي دارد. ويژگي‌هاي الكترونيكي از طريق چگالي حالت‌ها و محاسبه‌هاي ساختار نوار بررسي شده‌اند كه ماهيت فلزي اين تركيب‌ها را تأييد مي‌‌كنند. اتم Mg نقش قابل توجهي در چگالي حالات الكتروني در انرژي فرمي دارد. ضريب گرماي ويژه الكترونيكي خطي براي تركيب‌ها مبتني بر Sc بيشتر است. محاسبه‌ها ساختار نوار ويژگي‌هاي متمايزي مانند نوارهاي الكتروني صاف و نقطه ديراك در نقطه گاما براي تركيب‌هاي ScMgHg2 ، ScMg2Hg ، TiMgHg2 و Ti2MgHg نشان مي‌دهد. مطالعات وابسته به فشار نشان مي‌دهد كه گذار فاز توپولوژي رخ نمي‌دهد و اين ماده‌ها به عنوان فلزات معمولي طبقه‌بندي مي‌شوند. ويژگي‌هاي اپتيكي تركيب‌هاي X2MgHg, XMg2Hg, XMgHg2 (X=Li, Sc, Ti) و LiTiMgHg مطالعه شده است. در اين مطالعه با استفاده از بخش حقيقي و موهومي ثابت دي الكتريك اين تركيب‌ها، ضريب جذب و بازتاب اين تركيب‌ها در انرژي‌هاي مختلف محاسبه و تجزيه و تحليل شده است. علاوه براين بخش حقيقي و موهومي ثابت دي الكريك اين تركيب‌ها در انرژي صفر محابه و مورد بررسي قرار گرفته است. ضريب بازتاب اين تركيب‌ها در بازه‌هاي انرژي مختلف داراي نوسان‌هاي هست و كمينه‌ها و بيشينه‌هايي دارد كه نشان دهنده ميزان بازتاب موج الكترومغناطيس است. اين تركيب‌ها نزديك انرژي صفر ضريب بازتاب نسبتا بزرگي دارند كه با افزايش انرژي كاهش مي‌يابد. ضريب بازتاب تركيب‌ها برپايه اسكاديوم اطراف 10 الكترون ولت كاهش ناگهناي دارد. در حاليكه ضريب بازتاب تركيب‌ها بر پايه ليتيوم كاهش آرامي دارد. ضريب بازتاب تركيب‌ها بر پايه اسكاديوم و تيتانيوم تقريبا هم اندازه هستند و رفتار يكساني دارند. در حاليكه ضريب بازتاب تركيب‌ها بر پايه ليتيوم از ضريب بازتاب تركيب‌ها بر پايه اسكاديوم و تيتانيوم كوچكتر است. اين نتيجه نشان دهنده اين است كه تركيب‌ها بر پايه ليتيوم ممكن است نسبت به ديگر تركيب‌ها گذارهاي بين‌نواري كمتري داشته باشد. ضريب جذب اين تركيب‌ها در انرژي صفر، صفر است و با افزايش انرژي موج فرودي به شدت افزايش مي‌يابد. تركيب‌ها بر پايه تيتانيوم و اسكاديوم نسبت به تركيب‌ها بر پايه ليتيوم ضريب جذب بزرگتري دارند. تركيب‌هايي كه ضريب جذب بيشتري دارند مانند TiMgHg₂ و Ti₂MgHg، ساختار نواري متراكم‌تري دارند و احتمالاً گذارهاي بين نوار ظرفيت و رسانش در آن‌ها بيشتر است. تركيب‌هايي كه در انرژي‌هاي پايين‌تر ضريب بازتاب بزرگتري دارند مانند ScMg₂Hg و Sc₂MgHg)، احتمالاً رسانش بيشتري دارند و مي‌توانند نور را بيشتر بازتاب دهند.

Density functional theory , Electronic properties , Elastic tensor components , Mechanical properties

بررسي ويژگي‌هاي فيزيكي تركيب‌هاي X2MgHg, XMgHg2, XMg2Hg, LiScMgHg , XTiMgHg an‎d XMgNaHg (X=Li an‎d Sc)

فيزيك ماده چگال

This study investigates the structural, mechanical, phonon dispersion, an‎d electronic properties of X2MgHg, XMg2Hg, XMgHg2 (X=Li, Sc, Ti) an‎d LiTiMgHg compounds using first-principles calculations. The stability of these compounds is confirmed through energy-volume curves, cohesive, formation energy an‎d phonon dispersion analyses. Total energy-volumes calculations show that Li2MgHg an‎d ScMg2Hg are found to be more stable in the cubic structure with space group F4 ̅3m (216), while the other compounds are stable in the Fm3 ̅m (225) structure. The calculated phonon dispersions indicate that X2MgHg, XMg2Hg, XMgHg2 (X=Li, Sc, Ti) an‎d LiTiMgHg compounds except Li2MgHg an‎d ScMg2Hg compounds have dynamical stability in the Fm3 ̅m crystal structure. Mechanical properties were assessed by calculating elastic constants, which satisfy the Born-Huang criteria, indicating mechanical stability. The elastic calculations show that Sc-based compounds exhibit higher bulk modulus, shear modulus, an‎d Youngʹs modulus compared to Li-based compounds, with Sc2MgHg having the highest stiffness. The Poisson’s ratio an‎d Pugh’s ratio suggest that ScMgHg2 an‎d ScMg2Hg are ductile, whereas the other compounds are brittle. The positive Cauchy pressure values indicate metallic-like bonding, an‎d elastic anisotropy calculations reveal that ScMg2Hg has significant anisotropy. Electronic properties were analyzed through density of states an‎d ban‎d structure calculations, confirming the metallic nature of these compounds. The Mg atom contributes significantly to the electron density of states at the Fermi energy. The linear electronic specific heat is higher for Sc-based compounds. The ban‎d structure calculations show distinct features such as flat electron ban‎ds an‎d a Dirac point at the Gamma point for ScMgHg2 ، ScMg2Hg ، TiMgHg2 an‎d Ti2MgHg compounds. Pressure-dependent studies indicate no topological phase transitions, classifying these materials as normal metals. The optical properties of the X₂MgHg, XMg₂Hg, XMgHg₂ (X = Li, Sc, Ti) an‎d LiTiMgHg compounds have been investigated. In this study, the real an‎d imaginary parts of the dielectric function were used to calculate an‎d analyze the absorption coefficient an‎d reflectivity of these compounds over a range of photon energies. Additionally, the static (zero-energy) values of the real an‎d imaginary parts of the dielectric function were computed an‎d discussed. The reflectivity spectra of these compounds exhibit fluctuations with distinct minima an‎d maxima across different energy ranges, indicating the extent to which electromagnetic waves are reflected. At near-zero photon energy, the reflectivity of these compounds is relatively high an‎d gradually decreases with increasing energy. For Sc-based compounds, a sharp dro‎p in reflectivity occurs around 10 eV, whereas Li-based compounds show a more gradual decline. The reflectivity values of Sc- an‎d Ti-based compounds are almost equal, displaying similar behavior, while the reflectivity of Li-based compounds is noticeably lower. This result suggests that Li-based compounds may exhibit fewer interban‎d transitions compared to their Sc- an‎d Ti-based counterparts. The absorption coefficient of all compounds is zero at zero energy an‎d rises sharply with increasing photon energy. Ti- an‎d Sc-based compounds show higher absorption coefficients than Li-based ones. Compounds with greater absorption, such as TiMgHg₂ an‎d Ti₂MgHg, tend to have denser electronic ban‎d structures, indicating more active transitions between valence an‎d conduction ban‎ds. On the other han‎d, compounds with higher reflectivity at lower photon energies, such as ScMg₂Hg an‎d Sc₂MgHg, likely possess more metallic characteristics an‎d are more capable of reflecting light.

8

147279