Моделирование физико-химических и электронных свойств литийсодержащего 4Н-SiC и бинарных фаз системы Si–C–Li

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В равновесной модели системы твердая поверхность — адатом, включающей трехмерную межфазную поверхность, рассмотрены изменения поверхностных свойств с учетом химического потенциала за счет действия поверхностного натяжения. Проанализирована связь между химическим потенциалом и электрохимическим потенциалом i-го компонента в электрохимической ячейке.

Используя теорию функционала плотности (DFT), исследованы адсорбционные, электронные и термодинамические свойства 2 × 2 × 1 и 3 × 3 × 1 суперъячеек кристаллических соединений AmBn (, где n и m — стехиометрические коэффициенты) граничных бинарных систем тройной фазовой диаграммы Si–C–Li. Стабильность фаз AmBn и расчеты свойств проводили с обменно-корреляционным функционалом в рамках обобщенного градиентного приближения (GGA PBE). Рассчитаны параметры кристаллических структур соединений AmBn, энергия адсорбции адатома лития  на подложке 4H–SiC, электронная структура и термодинамические свойства суперъячеек AmBn. Определены термодинамически стабильные конфигурации суперъячеек 4H–SiC–Liads, имеющие разные расположения Liads. Проведены DFT GGA PBE расчеты энтальпии образования соединений AmBn в тройной системе Si–C–Li. Учитывая изменения свободной энергии Гиббса в твердофазных реакциях обмена между бинарными соединениями, установлены равновесные разрезы (конноды) в концентрационном треугольнике фазовой диаграммы Si–C–Li. Построено изотермическое сечение фазовой диаграммы Si–C–Li при 298 К. Анализированы закономерности диффузионных процессов, которые связаны с перемещением частиц на поверхностном слое образца 6H–SiC. В двух температурных интервалах (769–973 и 1873–2673 К) вычислена энергия активации диффузии лития в 6H–SiC из соотношения вида Аррениуса.

Об авторах

М. М. Асадов

Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева Министерство науки и образования Азербайджана; Научно-исследовательский институт геотехнологических проблем нефти, газа и химии АГУНП

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку; Баку

С. С. Гусейнова

Институт физики Министерства науки и образования Азербайджана

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку

С. Н. Мустафаева

Институт физики Министерства науки и образования Азербайджана

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку

С. О. Маммадова

Институт физики Министерства науки и образования Азербайджана

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку

В. Ф. Лукичев

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук

Email: lukichev@ftian.ru
Россия, Москва

Список литературы

  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.
  2. Fan Y., Deng C., Gao Y., Ding Y., Wu Y., Mo S., Yao Y., Liang B., Lu S., Qi W., Tao T. Highly reversible lithium storage in Li2C2 nanosheets // Carbon. 2021. V. 177. P. 357–365. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.02.095
  3. Guo J., Dong D., Wang J., Liu D., Yu X., Zheng Y., Wen Z., Lei W., Deng Y., Wang J., Hong G., Shao H. Silicon‐Based Lithium Ion Battery Systems: State‐of‐the‐Art from Half and Full Cell Viewpoint // Advanced Functional Materials. 2021. 2102546. P. 1–65. 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.
  5. Drüe M., Kozlov A., Seyring M., Song X., Schmid-Fetzer R., Rettenmayr M. Phase formation in the ternary system Li–Si–C // Journal of Alloys and Compounds. 2015. S0925838815309312. P. 1–20. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.235
  6. Liang S.-M., Drüe M., Kozlov A., Rettenmayr M., Schmid-Fetzer R. Key experiments and challenging thermodynamic modeling of the Li–Si–C system // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 698. P. 743–753. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.271
  7. Drüe M., Liang S.-M., Seyring M., Kozlov A., Song X., Rettenmayr M., Schmid-Fetzer R. Phase formation in alloy-type anode materials in the quaternary system Li — Sn–Si–C // International Journal of Materials Research. 2017. V. 108. No. 11. 146.111559. P. 933–941. https://doi.org/10.3139/146.111559
  8. He X., Tang A., Li Y., Zhang Y., Chen W., Huang S. Theoretical studies of SiC van der Waals heterostructures as anodes of Li-ion batteries // Applied Surface Science. 2021. V. 563. 150269. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150269
  9. Vasilevskiy K., Wright N.G. Historical Introduction to Silicon Carbide Discovery, Properties and Technology. Ch. 1. In book: Advancing Silicon Carbide Electronics Technology II. Materials Research Foundations. 2020. V. 69. P. 1–62. https://doi.org/10.21741/9781644900673-1
  10. Kong L., Chai C., Song Y., Zhang W., Zhang Z., Yang Y. Structural, elastic, electronic, and anisotropic properties of Pbca-SiC and Pbcn-SiC // AIP Advances. 2021. V. 11. 045107. P. 1–11. https://doi.org/10.1063/5.0044672
  11. Petersen R.J., Thomas S.A., Anderson K.J., Pringle T.A., May S., Hobbie E.K. Silicon-Carbide Nanocrystals from Nonthermal Plasma: Surface Chemistry and Quantum Confinement // The Journal of Physical Chemistry C. 2022. P. 1–10. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c03948
  12. Ruschewitz U., Pöttgen R. Structural Phase Transition in Li2C2 // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1999. V. 625. No. 10. P. 1599–1603. https://doi.org/10.1002/(sici)1521-3749(199910)625:10<1599:: aid-zaac1599>3.0.co;2-j
  13. Ruprecht B., Billetter H., Ruschewitz U., Wilkening M. Ultra-slow Li ion dynamics in Li2C2 — on the similarities of results from7Li spin-alignment echo NMR and impedance spectroscopy // Journal of Physics: Condensed Matter. 2010. V. 22. 245901. P. 1–10. https://doi.org/10.1088/0953-8984/22/24/245901
  14. Johanna N., Sumit K., Peter L., Daryn B., Ulrich H. Structural behavior of the acetylide carbides Li2C2 and CaC2 at high pressure // The Journal of Chemical Physics. 2012. V. 137. No. 22. 224507. P. 1–9. https://doi.org/10.1063/1.4770268
  15. Tian N., Gao Y., Li Y., Wang Z., Song X., Chen L. Li2C2, a High-Capacity Cathode Material for Lithium Ion Batteries // Angewandte Chemie International Edition. 2016. V. 5. No. 2. P. 644–648. https://doi.org/10.1002/anie.201509083
  16. Ali S. Opto-Electronic Properties of Li2C2 Polymorphs // Madridge Journal Nanotechnol Nanosci. 2017. V. 2. No. 1. P. 73–75. https://doi.org/10.18689/mjnn-1000113
  17. Gu M., He Y., Zheng J., Wang C. Nanoscale silicon as anode for Li-ion batteries: The fundamentals, promises, and challenges // Nano Energy. 2015. S221128551500350X. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.08.025
  18. Huggins R.A. Advanced Batteries. Springer Science+Business Media, LLC, 2009. 474 p.
  19. Obrovac M.N., Christensen L. Structural Changes in Silicon Anodes during Lithium Insertion/Extraction // Electrochemical and Solid-State Letters. 2004. V. 7. No. 5. P. A93—A96. https://doi.org/10.1149/1.1652421
  20. Wu H., Cui Y. Designing nanostructured Si anodes for high energy lithium ion batteries // Nano Today. 2012. V. 7. No. 5. P. 414–429. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2012.08.004
  21. Morachevskii A.G., Demidov A.I. Lithium-silicon alloys: Phase diagram, electrochemical studies, thermodynamic properties, application in chemical power cells // Russian Journal of Applied Chemistry. 2015. V. 88. No. 4. P. 547–566. https://doi.org/10.1134/S1070427215040011
  22. Wang P., Kozlov A., Thomas D., Mertens F., Schmid-Fetzer R. Thermodynamic analysis of the Li–Si phase equilibria from 0 K to liquidus temperatures // Intermetallics. 2013. V. 42. P. 137–145. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.06.003
  23. Kim H., Chou C.-Y., Ekerdt J.G., Hwang G.S. Structure and Properties of Li–Si Alloys: A First-Principles Study // The Journal of Physical Chemistry C. 2011. V. 115. P. 2514–2521. https://doi.org/10.1021/jp1083899
  24. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. First-principles study of the structural and dynamic properties of the liquid and amorphous Li–Si alloys // Journal of Chemical Physics. 2016. V. 144. 034502. P. 1–14. https://doi.org/10.1063/1.4939716
  25. Chiang H.-H., Lu J.-M., Kuo C.-L. A comparative first-principles study of the structural and electronic properties of the liquid Li–Si and Li–Ge alloys // Journal of Chemical Physics. 2017. V. 146. No. 6. 064502. P. 1–11. https://doi.org/10.1063/1.4975764
  26. Dębski A., Zakulski W., Major Ł., Góral A., Gąsior W. Enthalpy of formation of the Li22Si5 intermetallic compound // Thermochimica Acta. 2013. V. 551. P. 53–56. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.10.015
  27. Thomas D., Abdel-Hafiez M., Gruber T., Hüttl R., Seidel J., Wolter A. U.B., Büchner B., Kortus J., Mertens F. The heat capacity and entropy of lithium silicides over the temperature range from (2 to 873) K // Journal of Chemical Thermodynamics. 2013. V. 64. P. 205–225. https://doi.org/10.1016/j.jct.2013.05.018
  28. Dębski A., Gąsior W., Góral A. Enthalpy of formation of intermetallic compounds from the Li–Si system // Intermetallics. 2012. V. 26. P. 157–161. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.04.001
  29. Thomas D., Zeilinger M., Gruner D., Hüttl R., Seidel J., Wolter A.U.B., Fässler T. F., Mertens F. The heat capacity and entropy of the lithium silicides Li17Si4 and Li16.42Si4 in the temperature range from (2 to 873) K // Journal of Chemical Thermodynamics. 2015. V. 85. P. 178–190. https://doi.org/10.1016/j.jct.2015.01.004
  30. Taubert F., Schwalbe S., Seidel J., Hüttl R., Gruber T., Janot R., Bobnar M., Gumeniuk R., Mertens F., Kortus J. Thermodynamic characterization of lithium monosilicide (LiSi) by means of calorimetry and DFT-calculations // International Journal of Materials Research. 2017. V. 108. 146.111550. P. 943–958. https://doi.org/10.3139/146.111550
  31. Thomas D., Bette N., Taubert F., Hüttl R., Seidel J., Mertens F. Experimental determination of the enthalpies of formation of the lithium silicides Li7Si3 and Li12Si7 based on hydrogen sorption measurements // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 704. 0925–8388. P. 398–405. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.010
  32. Taubert F., Thomas D., Hüttl R., Seidel J., Mertens F. Experimental determination of enthalpies of formation of Li17Si4, Li16.42Si4 and Li13Si4 // Journal of Alloys and Compounds. 2022. V. 897. 163147. P. 898–805. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163147
  33. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. DFT electronic structure simulation and adsorption of germanium in ordered graphene with a vacancy // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. No. 2. P. 83–96. https://doi.org/10.1134/S1063739722010024
  34. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. Ab initio calculations of electronic properties and charge transfer in Zn1-xCuxO with wurtzite structure // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 5. P. 528–539. https://doi.org/10.21883/0000000000
  35. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Physical Review Letters. 1996. V. 77. No. 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
  36. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Physical Review. B. 1976. V. 13. No. 12. P. 5188–5192. https://doi.org/10.1103/physrevb.13.5188
  37. Asadov M.M., Mammadova S.O., Guseinova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Modeling of Gold Adsorption by the Surface of Defect Graphene // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. No. 6. P. 413–425. https://doi.org/10.1134/S1063739722700159
  38. Asadov M.M., Mammadova S.O., Huseynova S.S., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Simulation of the Adsorption and Diffusion of Lithium Atoms on Defective Graphene for a Li-Ion Battery // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. No. 3. P. 167–185. https://doi.org/10.1134/S1063739723700336
  39. Asadov S. M. Thermodynamics and Crystallization Kinetics of Solid Solutions GaSxSe1–x (0 ³ x £1) // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2022. V. 96. No. 2. P. 259–266. https://doi.org/10.1134/S0036024422020029.
  40. Lupis C.H.P. Chemical Thermodynamics of Materials. New York; Oxford: North-Holland, 1983. 581 p.; Prentice Hall, 1993.
  41. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. 3rd edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2004. 690 p. ISBN978-3-642-62332-5.
  42. He J., Song X., Xu W., Zhou Y., Seyring M., Rettenmayr M. Preparation and phase stability of nanocrystalline Li2C2 alloy // Materials Letters. 2013. V. 94. P. 176–178. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2012.12.045
  43. Davydov S.Yu., Posrednik O.V. Adsorption of Group-I and -VII Atoms on Silicon-Carbide Polytypes // Semiconductors. 2020. V. 54. No. 11. P. 1197–1202.
  44. Zhang Y.J., Yin Z.-P., Su Y., Wang D.-J. Passivation of carbon dimer defects in amorphous SiO2/4H–SiC (0001) interface: A first-principles study // Chinese Physics B. 2018. V. 27. No. 4. 047103.
  45. Zhao G.L., Bagayoko D. Electronic structure and charge transfer in 3C- and 4H-SiC // New Journal of Physics. 2000. V. 2. P. 1–16. http://www.njp.org/
  46. Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgical Thermochemistry. Fifth Edition. Oxford; New York: Pergamon Press, 1979. 449 p.
  47. Braga M.H., Dębski A., Gąsior W. Li-Si phase diagram: Enthalpy of mixing, thermodynamic stability, and coherent assessment // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 616. P. 581–593. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.212
  48. Morris A.J., Grey C.P., Pickard C.J. Thermodynamically stable lithium silicides and germanides from density-functional theory calculations // arXiv: 1402.6233v1 [cond-mat.mtr-sci] 25 Feb 2014. P. 1–10.
  49. Asadov M.M., Kuli-zade E.S. Phase equilibria, thermodynamic analysis and electrical properties of the Li2O— Y2O3—B2O3 system // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 842. 155632. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155632
  50. Jaeger R.C. Interoduction to microelectronic fabrication. Volume 5 (Modular Series on Solid State Devices) 2nd Edition. G.W. Neudeck, R.F. Pierret, Editors. 2002. Chapter 4. Diffusion. P. 67–109. Prentice Hall. Inc. New Jersey 07458.
  51. Gosele U.M. Fast Diffusion in Semiconductors // Annual Review of Materials Science. 1988. V. 18. No. 1. P. 257–282. https://doi.org/10.1146/annurev.ms.18.080188.
  52. Ghoshtagore R.N., Coble R.L. Self-Diffusion in Silicon Carbide // Physical review. 1966. V. 143. No. 2. P. 623–626. https://doi.org/10.1103/physrev.143.623
  53. Linnarsson M.K., Janson M.S., Karlsson S., Schoner A., Nordell N., Svensson B.G. Diffusion of light elements in 4H- and 6H-SiC // Materials Science and Engineering. 1999. B61–62. Р. 275–280. https://doi.org/10.1016/s0921-5107(98)00517-0
  54. Mokhov E.N. Doping of SiC Crystals during Sublimation Growth and Diffusion. In Book: Crystal Growth. IntechOpen, 2018. P. 1–25. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.82346
  55. Chabi S., Kadel K. Two-Dimensional Silicon Carbide: Emerging Direct Band Gap Semiconductor // Nanomaterials. 2020. V. 10. No. 11. P. 2226–2246. https://doi.org/10.3390/nano10112226
  56. Haase V., Kirschstein G., List H., Ruprecht S., Sangster R., Schröder F. The Si-C Phase Diagram. In: Katscher H., Sangster R., Schröder F. (eds) Si Silicon. Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry / Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie. 1985. V. Si / B / 1–5 / 3. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-06994-3_1
  57. Gao G.Y., Ashcroft N.W., Hoffmann R. The Unusual and the Expected in the Si/C Phase Diagram // Journal of the American Chemical Society. 2013. V. 135. No. 31. P. 11651–11656. https://doi.org/10.1021/ja405359a
  58. Linstrom P.J., Mallard W.G. (Editors). 2005. “NIST Chemistry WebBook”, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 2003 // http://webbook.nist.gov

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема зоны Бриллюэна (ZB) гексагонального политипа 4H–SiC (а) и ZB элементарной ячейки 4H–SiC (б)

Скачать (315KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сферическая модель ядро—оболочка твердых наночастиц

Скачать (238KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Оптимизированные атомные структуры 2 × 2 × 1 суперъячеек 4H–SiC (а) и 4H–SiC–Liads (б)

Скачать (233KB)
Метаданные
5. Рис. 4. DFT GGA PBE рассчитанные электронная зонная структура (а), полная DOS (б) и парциальная плотности состояний PDOS (в) 3 × 3 × 1 суперъячеек на основе 4H–SiC и SW–SiC–Liads (г). В PDOS показаны отдельные вклады каждой атомной орбитали без учета эффекта спин-орбитальной связи. На рис. в, г: 1 — полная DOS; 2 — PDOS для Si; 3 — PDOS для C; 4 — PDOS для Li. Уровень Ферми установлен на 0 эВ

Скачать (976KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Полная (DOS) и парциальная электронная плотность состояний (PDOS) α-Li2C2 с орторомбической сингонией. На рис. а: 1 — DOS; 2 — PDOS C2s-2p-состояние; 3 — PDOS Li1s-состояние. На рис. б: DOS [15]. Уровень Ферми установлен на 0 эВ

Скачать (212KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Электронная плотность состояний DOS соединения LiSi: 1 — Si3s-состояние; 2 — Si3p-состояние. Уровень Ферми установлен на 0 эВ

Скачать (159KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурная зависимость теплоемкости Сp соединения Li2C2 [6]

Скачать (107KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Аппроксимированные нами экспериментальные зависимости [6] соединений: 1 — α-SiC; 2 — α-Li2C2

Скачать (118KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изотермический разрез системы Si–C–Li при 298 К, построенный с учетом DFT GGA PBE расчетов

Скачать (210KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Распределение диффундирующей примеси по глубине в твердом слое: a — при постоянном источнике; б — при ограниченном источнике

Скачать (351KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Схемы расположения чужеродного атома по вакансии при диффузии

Скачать (98KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Схемы чужеродного атома по междоузлиям расположения при диффузии

Скачать (105KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость эффективного коэффициента диффузии лития от обратной температуры отжига в образце 6H–SiC–Lidif p-типа. Вычисленным нами значениям наклона указанной зависимости соответствуют энергии активации 2.1 эВ в интервале (769–973 К) [53] и 1.57 эВ в интервале (1873–2673 К) [54] соответственно

Скачать (163KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Расположение атомов в политипах 3C-, 4H-, Eg по схемам AB, ABCB и ABCACB

Скачать (367KB)
Метаданные
16. Рис. 15. T – x фазовая диаграмма системы Si–C [56]

Скачать (132KB)
Метаданные
17. Рис. 16. DFT расчетная концентрационная зависимость энтальпии образования бинарных фаз системы Si–C: 1 — наш DFT расчет; 2 — [58]; 3 — [57]

Скачать (141KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах