Поиск возможных соединений с отрицательным

Поиск возможных соединений с
отрицательным коэффициентом
теплового расширения с помощью
расчетов из первых принципов
Зимин T.M., Лысогорский Ю.В.
Институт физики КФУ, Казань
Актуальность
Отрицательное тепловое расширение (ОТР) ─ уменьшение линейных размеров и объема тела
при увеличении температуры (p = const).
За последние 20 лет был достигнут большой прогресс в области исследования материалов с
нулевым или отрицательным коэффициентом теплового расширения, ведь у таких материалов
огромный диапазон применения.
[1]
• Наноэлектроника
• Машиностроение
• Создание и эксплуатация
высокоточного оптического
оборудования
• Создание и эксплуатация
теплоэлетрических устройств
• Создание и эксплуатация
топливных ячеек нового
поколения
В целом, такие материалы интересны для многих отраслей промышленности с широким
интервалом рабочих температур.
.
1) Lind, C. (2012). Two decades of negative thermal expansion research: where do we stand?. Materials, 5(6), 1125-1154.
2
Механизмы ОТР
• Магнитообъемный эффект [1, 2]
• Уменьшение атомного радиуса [1]
• «Жесткие структуры» (Rigid Unit Modes, аббр. RUMs) [1]
1)
2)
Takenaka, K. (2012). Negative thermal expansion materials: technological key for control of thermal
expansion. Science and Technology of Advanced Materials, 13(1), 013001.
Takahashi, Y., & Nakano, H. (2006). Magnetovolume effect of itinerant electron ferromagnets. Journal of
Physics: Condensed Matter, 18(2), 521.
3
Рис. 3. Зависимость потенциальной
энергии поперечных колебаний
атома F от межатомного расстояния
3) Li, C. W., Tang, X., Munoz, J. A., Keith, J. B., Tracy, S. J., Abernathy, D. L., & Fultz, B. (2011). Structural relationship
between negative thermal expansion and quartic anharmonicity of cubic ScF3. Physical review letters, 107(19), 195504.
4
Объекты исследования
Пространственная группа симметрии Pm-3m
Соединение
Соединение
AgZnF3
TaF3
Mg3NF3
NaVF3
KMgF3
NbF3
CsMgF3
LiBaF3
RbPbF3
RbHgF3
CsCdF3
RbMnF3
CsCaF3
RbYbF3
RbVF3
RbFeF3
KPdF3
MoF3
RbCaF3
5
Методы компьютерного моделирования. Теория функционала плотности
• DFT exchange-correlation: GGA – PBE
• Planewave сut off: 400 eV
• K – mesh in Brillouin zone: 5x5x5
• Convergence: 0.005 eV/Ang
[4]
[5]
[4] MedeA® and Materials Design®, 2013, www.materialsdesign.com.
[5] Kresse, G. "Software VASP, Vienna, 1999; G. Kresse, J. Furthmüller." Phys. Rev. B 54.11 (1996).
6
Метод оценки коэффициента теплового расширения
(1)
(2)
(3)
(4)
7
Метод оценки коэффициента теплового расширения
8
Температурная зависимость линейного коэффициента теплового расширения
Compound
𝛾
-0.13
-1,6
─
-0.37
-3,2
─
-1.92
-8.3
-7.8 [3]
3) Li, C. W., Tang, X., Munoz, J. A., Keith, J. B., Tracy, S. J., Abernathy, D. L., & Fultz, B. (2011). Structural relationship
between negative thermal expansion and quartic anharmonicity of cubic ScF3. Physical review letters, 107(19), 195504.
8
Заключение
10
Спасибо за внимание!
11