Atomic locations of minor dopants and their roles in the stabilization ofη−Cu6Sn5

掺杂剂 结晶学 材料科学 电子结构 原子单位 人口 物理 凝聚态物理 化学 兴奋剂 量子力学 人口学 社会学
作者
Wenhui Yang,Xuan Quy Tran,Tomokazu Yamamoto,Satoru Yoshioka,Flora Somidin,Kazuhiro Nogita,Shuichi Matsumura
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:4 (6) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.4.065002
摘要

Chemical modification using only small amounts of elements such as Zn, In, Sb, or Ni has proven to be an effective means to control the desirable crystal structure of hexagonal $\ensuremath{\eta}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{C}{\mathrm{u}}_{6}\mathrm{S}{\mathrm{n}}_{5}$ over a wide thermally operating window, typically found in Pb-free Sn-based soldering or Li-ion battery anode applications. Though appealing, the underlying mechanisms on the role of these dopants remain incomplete and their atomic arrangements within the $\ensuremath{\eta}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{C}{\mathrm{u}}_{6}\mathrm{S}{\mathrm{n}}_{5}$ lattices have not yet been experimentally determined. In the current study, we directly reveal the atomic positions of Zn, In, and Sb at the Sn sites of $\ensuremath{\eta}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{C}{\mathrm{u}}_{6}\mathrm{S}{\mathrm{n}}_{5}$ via atomic-scale x-ray energy dispersive spectroscopy (XEDS) maps utilizing advanced Cs-corrected scanning transmission electron microscopy. The use of advanced statistical algorithms including Poisson non-local principal component analysis and lattice averaging enables the fine resolution of weak XEDS maps from trace dopant elements. Our first-principles calculations further identify the influence of dopants at these atomic sites on the overall energetics, electronic structures, as well as local bonding environments, leading to the most favorable situations for $\ensuremath{\eta}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{C}{\mathrm{u}}_{6}\mathrm{S}{\mathrm{n}}_{5}$ stabilization.

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