Kvantově-mechanické modelování nanokompozitu SiC-TiSi2

Bc. Jaroslav Drgoňa

Master's thesis

Quantum-mechanical modelling of SiC-TiSi2 nanocomposite

Abstract:

V rámci této práce bylo pomocí kvantově-mechanického modelování studováno osm konfigurací nanokompozitu C54-TiSi2/β-SiC. Tyto konfigurace byly rozděleny do dvou skupin – skupina A s atomy křemíku z SiC na rozhraní a skupina B s atomy uhlíku z SiC na rozhraní. Mřížkový parametr c (kolmý na fázové rozhraní) byl u všech konfigurací optimalizován, přičemž mřížkové parametry a a b byly drženy na konstantních hodnotách tak, aby oba TiSi2 i SiC byly vystaveny stejnému namáhání. Tvorné teplo vzhledem k prvkům v jejich standardním stavu bylo -0.1672 eV/atom pro nejstabilnější konfiguraci ze skupiny A a -0.0983 eV/atom pro nejstabilnější konfiguraci ze skupiny B. Tvorná tepla rozhraní byla 0.1361 eV/Å2 pro nejstabilnější konfiguraci ze skupiny A a 0.1811 eV/Å2 pro nejstabilnější konfiguraci ze skupiny B. Tyto kladné hodnoty indikují destabilizační účinek fázových rozhraní. Pro nejstabilnější konfiguraci z každé skupiny byl studován vliv vakancí a substitucí na rozhraní. Pro konfiguraci ze skupiny A byly zjištěny kladné hodnoty tvorných tepel vakancí, což signalizuje jejich destabilizační účinek na strukturu. Na druhou stranu dvě z vakancí ve struktuře konfigurace ze skupiny B měly slabě záporná tvorná tepla, což značí jejich potenciální stabilizační účinek. Tyto vakance byly umístěny na rozhraní v místech uhlíkových atomů z SiC. U všech modifikací se substitucemi byly vypočteny kladné hodnoty tvorných tepel těchto poruch. To naznačuje, že atomy na rozhraní nebudou mít tendenci difundovat přes rozhraní.

Abstract:

In the frame of this work, eight configurations of C54-TiSi2/β-SiC nanocomposites were studied using quantum-mechanical modelling. These configurations were divided into two groups – group A with silicon atoms from SiC on the interface and group B with carbon atoms from SiC on the interface. The lattice parameter c (perpendicular to the phase boundary) of these configurations was optimised, with lattice parameters a and b staying constant at values where both TiSi2 and SiC are exposed to the same strain. The heat of formation with respect to the elements in their standard state was -0.1672 eV/atom for the most stable configuration from group A and -0.0983 eV/atom for the most stable configuration from group B. The heats of formation of interfaces were 0.1361 eV/Å2 for the most stable configuration from group A and 0.1811 eV/Å2 for the most stable configuration from group B. These positive values indicate the destabilisation effect of the phase boundaries. For the most stable configuration from each group, the effect of vacancies and substitutions on the interface was studied. Positive values of heats of formation of vacancies were obtained for the configuration from group A, signalising their destabilisation effect. Two vacancies in the structure from group B possessed slightly negative heats of formation, which indicates their potential stabilising effect. These vacancies were placed on the interface in positions of carbon atoms from SiC. Positive values of heats of substitution were obtained for all modifications with this defect. This suggests that atoms on the interface will not tend to diffuse across the interface.

Keywords

ab initio výpočty, teorie funkcionálu hustoty, VASP, β-SiC, C54 TiSi2, nanokompozit, vakance, výměna atomů, tvorné teplo, ab initio calculations, density functional theory, nanocomposite, vacancy, substitution of atoms, heat of formation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2022
• Supervisor: doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
• Reader: Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Material Chemistry