Understanding the Role of Atomic Vacancies in the Stability and Hardening of Cubic Tungsten and Molybdenum Nitrides

材料科学 化学物理 氮化物 硬化(计算) 化学计量学 碳化物 空位缺陷 凝聚态物理 格子(音乐) 结晶学 纳米技术 化学 冶金 物理化学 物理 图层(电子) 声学
作者
Yuchen Xiao,Zhilin Han,Guojun Zhang,Yongcheng Liang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (47): 22984-22991 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c06528
摘要

The experimentally reported cubic WN and MoN materials are of great technological and fundamental importance, but their structural stabilities and chemical compositions have generated increasing controversy, which has impeded an in-depth understanding of their structure–property relationships. Here, we show by first-principles calculations that the stoichiometric WN and MoN phases with the cF8 structure are thermodynamically, dynamically, and mechanically unstable, but the presence of disordered atomic vacancies not only restores the lattice stability but also causes an anomalous hardening phenomenon. Most remarkable is that the simultaneous 25% ordered metal and nonmetal vacancies in the cF8 structure lead to the formation of the highly stable and hard cP6 type. We demonstrate that such unusual behaviors originate from the presence of two kinds of bands near the Fermi level that respond oppositely to the stability and hardness of the cF8 structure. The present study reconciles the seemingly inconsistent theoretical and experimental results and provides an effective design mechanism for functional carbides and nitrides by tuning deficiency populations.
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