Crystal Structure and Chemical Bonding of β-FeSi2 and ε-FeSi

共价键 化学键 材料科学 结晶学 离子键合 硅化物 晶体结构 化学物理 密度泛函理论 纳米技术 化学 计算化学 离子 有机化学 图层(电子)
作者
Jun Cheng,Xingyu Chen,Jiali Zhou,Jiawei Zhang,Pengfei Qiu,Xun Shi,Lidong Chen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (33): 13998-14006
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c03032
摘要

The semiconductor silicide β-FeSi2 has garnered significant attention due to its potential applications across photovoltaics, optoelectronics, and thermoelectric devices. The emergence of ε-FeSi during the synthesis of β-FeSi2 is a common phenomenon. The intricacies of the crystal structure and chemical bonds of β-FeSi2 and ε-FeSi are imperative for understanding their physical properties, yet these characteristics have not been thoroughly investigated. This study presents an in-depth examination of the temperature-dependent evolution of the crystal structures and chemical bonding of β-FeSi2 and ε-FeSi, utilizing high-resolution synchrotron powder X-ray diffraction and density functional theory calculations with Bader's quantum theory of atoms in molecules. The research spans a temperature range from 117.2 to 771.2 K, during which the crystal structures exhibit significant stability with no evidence of structural collapse or phase transitions. In terms of chemical bonding, the Si–Si bonds in β-FeSi2 are typically covalent, while the Fe–Si bonds display a polar covalent character with partial ionicity. ε-FeSi exhibits a similar bonding motif with Fe–Si bonds being either covalent or polar covalent. In addition, large Debye temperatures and a marginal weakening of bond strength with rising temperatures elucidate the strong bonding interactions as an origin of good thermal stability.

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