TAHSİN ÖZER, MUHAMMET KARATAŞLI, SÜLEYMAN ÇABUK

Basınç altında α -PbO2 fazındaki SnO2’nin yapısal ve mekanik özelliklerinin araştırılması

SnO2’nin sahip olduğu çeşitli özel ve özgün özellikleri birçok uygulamalar için onu yararlı malzeme yapmıştır. Malzemenin elastik sabitleri, mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleriyle yakın 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 incelendi. Hesaplanan elastik sabitler göstermektedir ki SnO2 mekanik olarak kararlıdır. Bulk modül, Debye sıcaklığı, Poisson oranı, Young modülü, shear modülü ve kristal anizotropisi gibi bazı fiziksel nicelikler hesaplanan verilerden türetilmiştir. CaCl2 tipinden α-PbO2 yapısına faz geçişi 12,13 GPa olarak elde edildi. SnO2’nin Debye sıcaklığı elastik modüller ve ses hızlarından hesaplandı. α-PbO2 yapısının hesaplanan ortalama sıkıştırılabilirliği doğal atmosfer basıncında x, y ve z yönlerinde 1,90 TPa-1 dır. Ayrıca, basınç kaynaklı örgü (elastik) sabitleri diğer hesaplamalar ile elde edilen sonuçlarla doğrudan karşılaştırma yapmak amacıyla regresyon denklem uyarlandı. Sonuçlar mevcut teorik ve deneysel verilerle kıyaslanmıştır.

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

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

PDF

___

Li, Y., Fan, W., Sun, H., Cheng, X., Li, P., Zhao, X., Hao, J., Jiang, M. “Optical properties of the highpressure phases of SnO2: First-priciples calculation”, J.Phys. Chem. A, 114, 1052-1059, 2010.
Ivashchenko, V.I.,Rud, B.M., Gonchar, A.G., Ivashchenko, L.A., Butenko, O.O. “Effect of in homogeneous deformation on the electronic structure of SnO2 and SnxSb1-xO2 phases”, Structural Materials Research, 51, 353-362, 2012.
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.
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.
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.
Deligoz, E.,Colakoglu, K.., Ciftci, Y.O. “The structural, elastic, and electronic properties of the pyrite-type phase for SnO2”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 69, 859–864, 2008.
Hassan, F.,Moussawi, S., Noun, W., Salameh, C., Postnikov, A.V. “Theoretical calculations of the highpressure phases of SnO2”, Computational Materials Science 72, 86–92, 2013.
Das, P.K., Chowdhury, A., Mandal, N., Arya, A. “First-principles characterisation of the pressure dependent elastic anisotropy of SnO2 polymorphs”, Philosophical Magazine, 96, 1861-1882, 2016.
Kresse, G.,joubert, D. “From ultra-soft pseudo potentials to the projector augment –wave method”, Physical Review B 59/3, 1758-1775, 1999.
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.
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.
Blöch, P.E. “Projector augment–wave method”, Physical Review B 50/24, 17953-17979, 1994.
Perdew, J.P., Burke, K., Emzerhof, M. “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, Physical Review Letters 77/18, 3865-3868, 1996.
Page, Y. L., Saxe, P. “Symmetry-general leastsquares extraction of elastic coefficients from ab initio total energy calculations”, Phys. Rev. B, 63: 174103, 2001.
Nielsen, O. H., Martin, R. C., “First-Principles Calculation of Stress” Phys. Rev. Lett., 50: 697–700, 1983.
Özer, T., “Fe-Ni-Cr-MnEsaslı alaşımlarda martensite dönüşüm sıcaklıklarının belirlenmesi”. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü – Yüksek Lisans Tezi 31 sayfa, 2004.
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.
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.
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.
Özer, T., “SbXI(X=S, Se, Te) bileşiklerinin yapısal, dinamik ve termodinamik özelliklerinin ab inito yöntemlerle incelenmesi”. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü – Doktora Tezi 148 sayfa, 2016.
Wu, Z., Zhao, E., Xiang, H., Hao, X., Liu, X., Meng, J. “Crystal structures and elastic properties of super hard IrN2 and IrN3 from first principles”, Physical Review B, 76, 054115-15, 2007.
Connétable, D., Thomas, O. “First-principles study of the structural, electronic, vibrational, and elastic properties of orthorhombic NiSi”, Physical Review B 79, 094101-9, 2009.
Liu, Q., Liu, Z., Feng, L., Tian, F. “First-principles study of structural, elastic, electronic and optical properties of orthorhombic NaAlF4” ,Computational Materials Science 50, 2822–2827, 2011.
Madelung, O. “Semiconductors: Data handbook. Springer”, 2004.
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.
Soykan, C., Kart, S.Ö. “Structural, mechanical and electronic properties of ZnTe polymorphs under pressure”, Journal of Alloys and Compounds, 529, 148- 157, 2012
MINITAB 17. Available: http://www.minitab.com/en-us/products/minitab/