Purely single-bonded spiral nitrogen chains stabilized by trivalent lanthanum ions

材料科学 结晶学 相(物质) 氮化物 之字形的 离子 氮气 带隙 无机化学 化学 纳米技术 几何学 数学 光电子学 有机化学 图层(电子) 冶金
作者
Cui Ding,Jianan Yuan,Yu Han,Zhongwei Zhang,Qiuhan Jia,Junjie Wang,Junqiang Sun
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (18)
标识
DOI:10.1063/5.0176226
摘要

Inspired by the single-bonded nitrogen chains stabilized by tetravalent cerium, pentavalent tantalum, and hexavalent tungsten atoms, we explored the possibility of single-bonded nitrogen polymorphs stabilized by trivalent lanthanum ions. To achieve this, we utilized the crystal structure search method on the phase diagram of binary La-N compounds. We identified three novel thermodynamically stable phases, the C2/c LaN3, P-1 LaN4, and P-1 LaN8. Among them, the C2/c phase with infinite helical poly-N6 chains becomes thermodynamically stable above 50 GPa. Each nitrogen atom in the poly-N6 chain acquires one extra electron, and the spiral chain is purely single-bonded. The C2/c phase has an indirect band gap of ∼1.6 eV at 60 GPa. Notably, the band gap exhibits non-monotonic behavior, decreases first and then increases with increasing pressure. This abnormal behavior is attributed to the significant bonding of two La-N bonds at around 35 GPa. Phonon spectrum calculations and AIMD simulations have confirmed that the C2/c phase can be quenched to ambient conditions with slight distortion, and it exhibits excellent detonation properties. Additionally, we also discovered armchair-like nitrogen chains in LaN4 and the armchair and zigzag-like mixed nitrogen chains in LaN8. These results provide valuable insights into the electronic and bonding properties of nitrides under high pressure and may have important implications for the design and development of novel functional materials.
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