Tahsin ÖZER, Muhammet KARATAŞLI, Süleyman ÇABUK

Basınç altında α -PbO2 fazındaki SnO2’nın yapısal ve dinamik özelliklerinin araştırılması

SnO2 birçok uygulamalar için çok yararlı malzeme yapan çeşitli özel ve özgün özellikleri vardır. Malzemenin elastik sabitleri mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilişki kurduğu için çok önemlidir. SnO2’nın yapısal ve elastik sabitleri VASP yazılımı kullanılarak Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) ile araştırılmıştır. Örgü parametreleri, atomik konumlar ve elastik sabitler 18 GPa’ya kadar değişik basınçlarda çalışıldı. Hesaplanan elastik sabitler göstermektedir ki SnO2 mekanik olarak kararlıdır. Bulk modül, Debye sıcaklığı, Poisson oranı, Young modülü, shear modülü, kristal anizotropisi gibi bazı fiziksel nicelikler hesaplanan verilerden türetilmiştir. CaCl2 tipinden α-PbO2 yapısına faz geçişi 12,13 GPa elde edildi. SnO2’nin Debye sıcaklığı elastik modüller ve ses hızlarından hesaplandı. Ortam basıncında x, y ve z yönlerinde α-PbO2’nin ortalama sıkıştırıla bilirliği 1,90 TPa-1 dır. Ayrıca, basınç kaynaklı örgü (elastik) sabitleri diğer hesaplamalar ile elde edilen sonuçlarla doğrudan karşılaştırma yapmak amacıyla regresyon denklemine uyduruldu. Sonuçlar mevcut teorik ve deneysel verilerle kıyaslanmıştır.

Anahtar Kelimeler:

SnO2, α-PbO2 yapı, elastik sabitler, bulk modül, Debye sıcaklığı

Investigation of structural and dynamic properties in α -PbO2 phase of SnO2 under pressure

SnO2 has various specific and unique properties, which make this material very useful for manyapplications. The elastic constants of materials are very important because they are closely associatedwith the mechanical, physical and chemical properties. The structural and elastic constants of SnO2 wereinvestigated using density functional theory (DFT) as implemented in VASP software. The latticeparameters, atomic positions and elastic constants were studied up to pressure of 18 GPa. The calculatedelastic constants indicate that SnO2 is mechanically stable. Some fundamental physical quantities such asbulk modulus, Debye temperature, Poisson’s ratio, Young's modulus, shear modulus, and crystalanisotropy were derived calculated data. The phase transition from CaCl2 – type to α-PbO2 structure isobtained at 12.13 GPa. The Debye temperature of SnO2 was computed from the elastic moduli and soundvelocities. The computed average linear compressibility of α-PbO2 structure is 1.90 TPa-1 in the x, y and zdirection at ambient pressure. Also, the pressure-induced lattice (elastic) constants were fitted to theregression equation in order to make direct comparison to results obtained by other calculations. Theresults were compared with available theoretical and experimental data.

Keywords:

SnO2, α-PbO2 structure, elastic constants, bulk modulus, Debye temperature,

PDF

___

[ 1] Li, Y., Fan, W., Sun, H., Cheng, X., Li, P., Zhao, X., Hao, J., Jiang, M. “Optical properties of the high-pressure phases of SnO2: First-priciples calculation”, J.Phys. Chem. A, 114, 1052-1059, 2010.
[ 2] Ivashchenko, V.I., Rud, B.M., Gonchar, A.G., Ivashchenko, L.A., Butenko, O.O. “Effect of inhomogeneous deformation on the electronic structure of SnO2 and SnxSb1-xO2 phases”, Structural Materials Research, 51, 353-362, 2012.
[ 3] Parlinski, K., Kawazoe, Y. “Ab initio study of phonons in the rutile structure of SnO2 under pressure”, The European Physical Journal B, 13, 679-683, 2000.
[ 4] Liu, C., Chen, X., Ji, G. “First-principles investigations on structural, elastic and electronic properties of SnO2 under pressure”, Computational Materials Science, 50, 1571-1577, 2011.
[ 5] Erdem, İ., Kart, H.H., Cagin, T. “High pressure phase transitions in SnO2 polymorphs by first-principles calculations”, Journal of Alloys and Compounds, 587, 638-645, 2014.
[ 6] Kresse, G., joubert, D. “From ultra-soft pseudo potentials to the projector augment –wave method”, Physical Review B 59/3, 1758-1775, 1999.
[ 7] Kresse, G., Furtmüller, J. “Efficiency of ab-inito total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set”, Computational Materials Science 6, 15-20, 1996.
[ 8] Kresse, G., Furtmüller, J. “Efficient iterative schemes for ab-inito total energy calculations using a plane-wave basis set”, Physical Review B 54/16, 11169-11186, 1996.
[ 9] Blöch, P.E. “Projector augment–wave method”, Physical Review B 50/24, 17953-17979, 1994.
[10] Perdew, J.P., Burke, K., Emzerhof, M. “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, Physical Review Letters 77/18, 3865-3868, 1996.
[11] Page, Y. L., Saxe, P. “Symmetry-general least-squares extraction of elastic coefficients from ab initio total energy calculations”, Phys. Rev. B, 63: 174103, 2001.
[12] Nielsen, O. H., Martin, R. C., “First-Principles Calculation of Stress” Phys. Rev. Lett., 50: 697–700, 1983.
[13] Gracia, L., Beltran, A., Andres, J. “Characterization of the high-pressure structures and phase transformations in SnO2. A density functional teory study”, J. Phys. Chem. B, 111, 6479-6485, 2007.
[14] Zhu, B., Liu, C., Lv, M., Chen, X., Zhu, J., Ji, G. “Structures, phase transition, elastic properties of SnO2 from first-principles analysis”, Phsica B, 406, 3508-3513, 2011.
[15] Bilge, M., Kart, S.Ö., Kart, H.H., Çağın, T. “B3-B1 phase transition and pressure dependence of elastic properties of ZnS”, Materials Chemistry and Physics, 111, 559-564, 2008.
[16] Connétable, D., Thomas, O. “First-principles study of the structural, electronic, vibrational, and elastic properties of orthorhombic NiSi”, Physical Review B 79, 094101, 2009.
[17] Özışık, H., “GeI2, Re2C, La-Bi ve Ln2O3 (Ln=Sc, Y, La-Lu) bileşiklerinin yapısal, elektronik, mekanik ve titreşimsel özelliklerinin ab inito yöntemlerle incelenmesi”. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü – Doktora Tezi 127 sayfa, 2011.
[18] Madelung, O. “Semiconductors: Data handbook. Springer”, 2004.
[19] Soykan, C., Kart, S.Ö. “Structural, mechanical and electronic properties of ZnTe polymorphs under pressure”, Journal of Alloys and Compounds, 529, 148-157, 2012.