Theoretical study on structural and mechanical properties of Si-containing ternary transition metal nitrides M0.5Si0.5N (M = Ti, Zr, Hf)

三元运算 材料科学 六方晶系 氮化物 电子结构 相(物质) 六角相 结晶学 凝聚态物理 冶金 复合材料 化学 物理 有机化学 图层(电子) 计算机科学 程序设计语言
作者
Lei Chen,Quanmin Xie,Yongsheng Jia,Yingkang Yao
出处
期刊:RSC Advances [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (13): 9109-9118
标识
DOI:10.1039/d2ra06423e
摘要

Si-containing transition-metal nitrides Ti0.5Si0.5N, Zr0.5Si0.5N and Hf0.5Si0.5N with conventional rock salt B1 structure exhibit superior hardness, strength and oxidation resistance. However, the potential phases of the ternary systems at various pressures remain unexplored. In this work, we firstly studied the potential structures of Ti0.5Si0.5N, Zr0.5Si0.5N and Hf0.5Si0.5N in pressures of 0-100 GPa. A hexagonal phase with P63/mmc symmetry was uncovered and verified to be quenchable in the ambient conditions. The structural, mechanical and electronic properties were systematically studied and compared with the well-known ordered B1 structure. We surprisingly found that Ti0.5Si0.5N within this hexagonal phase displayed much improved ideal indentation shear strength from about 10 GPa for a B1 structure to 30 GPa. The estimated hardness based on the empirical formula is up to 38 GPa, greatly exceeding that of the B1 structure. By the detailed electronic analysis, the underlying atomic mechanism for the outstanding mechanical properties was also studied.

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