Моделирование адсорбции лития в 4H–SiC, переноса электронов и термодинамических функций соединений системы Si–C–Li

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Используя теорию функционала плотности (DFT) исследованы адсорбционные, электронные и термодинамические свойства 2×2×1 и 3×3×1 суперъячеек бинарных соединений AnBm = 4H–SiC , a – Li2C2, LinSim) системы Si–C–Li. Установлено, что теоретическая емкость гексагонального политипа 4H–SiC, больше, чем у графита (370 мА⋅ч/г), используемого в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. Кристаллические соединения AnBm обладают электронной проводимостью. При DFT-расчетах использовали обменно-корреляционный функционал в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA PBE). Рассчитаны параметры кристаллической структуры, энергия адсорбции адатома Liads на подложке 4H–SiC, электронная зонная структура и термодинамические свойства суперъячеек соединений AnBm . Определены термодинамически выгодное расположение Liads и стабильная конфигурация суперъячеек 4H–SiCads>. Проведены DFT-расчеты энтальпии образования соединений AnBm в тройной системе Si–C–Li. Вычисленные характеристики соединений AnBm согласуются с экспериментальными данными. Используя стандартные термодинамические потенциалы соединений AnBm и изменение энергии в твердофазных реакциях обмена между этими соединениями установлены равновесные конноды в концентрационном треугольнике Si–C–Li. Построено изотермическое сечение фазовой диаграммы Si–C–Li при 298 К.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. M. Асадов

Министерство науки и образования Азербайджана, Институт катализа и неорганической химии им. М. Ф. Нагиева; Министерство науки и образования Азербайджана, Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия (НИИ ГПНГХ АГУНП)”

Author for correspondence.
Email: mirasadov@gmail.com
Azerbaijan, AZ-1143 Баку; AZ-1010 Баку

S. N. Мустафаева

Министерство науки и образования Азербайджана, Институт физики

Email: mirasadov@gmail.com
Azerbaijan, AZ-1143 Баку

V. Ф. Лукичев

Российская академия наук, Физико-технологический институт им. К. А. Валиева

Email: salim7777@gmail.com
Russian Federation, 117218 Москва

References

  1. Kimoto T., Cooper J.A. Fundamentals of Silicon Carbide Technology. Growth, Characterization, Devices, and Applications. John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd. 2014. 538 p. ISBN978-1-118-31352-7. https://doi.org/10.1002/9781118313534
  2. Fan Y., Deng C., Gao Y. et al. // Carbon. 2021. V. 177. P. 357. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.02.095
  3. Guo J., Dong D., Wang J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. 2102546. P. 1. https://doi.org/10.1002/adfm.202102546
  4. Huggins R.A. Advanced Batteries – Materials Science Aspects. 1st ed., Science+Business Media, LLC. New York. 2009. 474 p. ISBN-13: 978-0387764238
  5. Drüe M., Kozlov A., Seyring M. et al. // J. Alloys Compd. 2015. S0925838815309312. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.235
  6. Liang S.-M., Drüe M., Kozlov A. et al. // Ibid. 2017. V. 698. P. 743. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.271
  7. Drüe M., Liang S.-M., Seyring M. et al. // Int. J. Mater. Res. 2017. V. 108. No 11. 146.111559. P. 933. https://doi.org/10.3139/146.111559
  8. He X., Tang A., Li Y., Zhang Y. et al. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 563. 150269. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150269
  9. Vasilevskiy K., Wright N.G. Ch. 1. In book: Advancing Silicon Carbide Electronics Technology II. Materials Research Foundations. 2020. V. 69. P. 1. https://doi.org/10.21741/9781644900673-1
  10. Kong L., Chai C., Song Y. et al. // AIP Advances. 2021. V. 11. 045107. P. 1. https://doi.org/10.1063/5.0044672
  11. Petersen R.J., Thomas S.A., Anderson K.J. et al. // J. Phys. Chem. C. 2022. P. 1. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c03948
  12. Ruschewitz U., Pöttgen R. // Z. Anorg. Allg. Chem. 1999. V. 625. No 10. P. 1599. https://doi.org/10.1002/(sici)1521-3749(199910)625:10<1599:: aid-zaac1599>3.0.co;2-j
  13. Kozlov A., Seyring M., Drüe M., et // J. Mater. Res. 2013. V. 104. No 11. P. 1066. https://doi.org/10.3139/146.110960
  14. Johanna N., Sumit K., Peter L. et al. // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. No 22. 224507. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4770268
  15. Tian N., Gao Y., Li Y. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2016. V. 5. No 2. P. 644. https://doi.org/10.1002/anie.201509083
  16. Ali S. // Madridge J. Nanotechnol Nanosci. 2017. V.2. No 1. P. 73. https://doi.org/10.18689/mjnn-1000113
  17. Gu M., He Y., Zheng J., Wang C. // Nano Energy. 2015. S221128551500350X. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.08.025
  18. Guo J., Dong D., Wang J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. P. 1. https://doi.org/10.1002/adfm.202102546
  19. Obrovac M.N., Christensen L. // Electrochem. Solid-State Lett. 2004. V. 7. No 5. P. A93. https://doi.org/10.1149/1.1652421
  20. Wu H., Cui Y. // Nano Today. 2012. V. 7. No 5. P. 414. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2012.08.004
  21. Morachevskii A.G., Demidov A.I. // Rus. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. No 4. P. 547. https://doi.org/10.1134/S1070427215040011
  22. Wang P., Kozlov A., Thomas D. et al. // Intermetallics. 2013. V. 42. P. 137. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.06.003
  23. Kim H., Chou C.-Y., Ekerdt J.G., Hwang G.S. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. P. 2514. https://doi.org/10.1021/jp1083899
  24. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. // J. Chem. Phys. 2016. V. 144. 034502. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4939716
  25. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. // Ibid. 2017. V. 146. No 6. 064502. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4975764
  26. Dębski A., Zakulski W., Major Ł. et al. // Thermochim. Acta. 2013. V. 551. P. 53. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.10.015
  27. Thomas D., Abdel-Hafiez M., Gruber T. // J. Chem. Thermodynamics. 2013. V. 64. P. 205. https://doi.org/10.1016/j.jct.2013.05.018
  28. Dębski A., Gąsior W., Góral A. // Intermetallics. 2012. V. 26. P. 157. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.04.001
  29. Thomas D., Zeilinger M., Gruner D. et al. // J. Chem. Thermodynamics. 2015. V. 85. P. 178. https://doi.org/10.1016/j.jct.2015.01.004
  30. Taubert F., Schwalbe S., Seidel J. et al. // Int. J. Mater. Res. 2017. V. 108. 146.111550. P. 943. https://doi.org/10.3139/146.111550
  31. Thomas D., Bette N., Taubert F. et al. // J. Alloys Compd. 2017. V. 704. 0925–8388. P. 398. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.010
  32. Taubert F., Thomas D., Hüttl R. et al. // Ibid. 2022. V. 897. 163147. P. 898. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163147
  33. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. // Rus. Microelectronics. 2022. V. 51. No. 2. P. 83. https://doi.org/10.1134/S1063739722010024
  34. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. // Phys. Solid State. 2022. V. 64. No. 5. P. 528. https://doi.org/10.21883/0000000000
  35. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. No 18. P. 3865. https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
  36. Asadov S.M., Mustafaeva S.N., Huseinova S.S., Lukichev V.F. // Russ. J. Phys. Chem A, 2024. V. 98. No 1. P. 1. https://doi.org/10.1134/S0036024424010023
  37. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S. et al. // Rus. Microelectronics. 2022. V. 51. No 6. P. 413. https://doi.org/10.1134/S1063739722700159
  38. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. 3rd edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yor. 2004. 690 p. ISBN978-3-642-62332-5.
  39. He J., Song X., Xu W. et al. // Mater. Lett. 2013. V. 94. P. 176. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2012.12.045
  40. Davydov S. Yu., Posrednik O.V. // Semicond. 2020. V. 54. Is. 11. P. 1197.
  41. Zhang Y.J., Yin Z.-P., Su Y., Wang D.-J. // Chin. Phys. B. 2018. V. 27. No 4. 047103.
  42. Zhao G.L., Bagayoko D. // New J. Phys. 2000. V. 2. P. 1. http://www.njp.org/
  43. CRC Handbook of Chemistry and Physics. D.R. Lide. Ed. CRC Press, Boca Raton, FL. 2005. http://www.hbcpnetbase.com
  44. Braga M.H., Dębski A., Gąsior W. // J. Alloys Compd. 2014. V. 616. P. 581. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.212
  45. Morris A.J., Grey C.P., Pickard C.J. // arXiv: 1402.6233v1 [cond-mat.mtr-sci] 25 Feb 2014. P. 1.
  46. Asadov M.M., Kuli-zade E.S. // J. Alloys Compd. 2020. V. 842. 155632. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155632

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Atomic structure of 2×2×1 supercells of 4H–SiC (a) and 4H–SiC (b).

Download (82KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. DFT-GGA-PBE calculated electronic band structure (a), total DOS (b) and partial density of states PDOS (c) of 3×3×1 supercells based on 4H–SiC and SW–SiC–Liads (d). PDOS show individual contributions of each atomic orbital without taking into account the spin-orbit coupling effect. 1 – total DOS, 2 – PDOS for Si, 3 – PDOS for C, 4 – PDOS for Li. The Fermi level is set to zero eV.

Download (407KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Total (DOS) and partial electron density of states (PDOS) of a – Li₂C₂ with orthorhombic syngony: a) – 1 – DOS, 2 – PDOS C2s-2p-state, 3 – PDOS Li 1s-state; b) – DOS of a – Li₂C₂. The Fermi level is set to zero eV.

Download (149KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Electron density of states of the DOS compound LiSi. 1 – Si 3s-state, 2 – Si 3p-state. The Fermi level is set to zero eV.

Download (90KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Isothermal section of the Si–C–Li system at 298 K, constructed on the basis of DFT-GGA-PBE calculations taking into account known thermodynamic and experimental data.

Download (133KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences