First-principles study for suppressing phase transition in silica Cristobalite structure

抑制二氧化硅方石英结构相变的第一性原理研究

• 批准号: 22K04694
• 负责人: 陳 迎
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04694/
• 关键词: SiO2; Cristobalite; 第一原理; 相転移抑制

本研究は、第一原理計算に基づいて、EBC酸化保護膜として有望な結晶性SiO2の要素であるCristobalite構造に着目して、Cristobalite構造のβ-α相転移を抑制する指針が得ることが目的とした。研究の最初年度には、研究全体のコアであるCristobalite 関連相、の基礎計算を行った。主な結果か以下になる。(1)SiO2におけるa-Cristobalite、β-Cristobalite、α-Quartzに対して絶対０Ｋでの電子構造計算を行った。α-Quartzは基底構造であり、β-Cristobaliteの数種類の構造の中にI42dのエネルギーは一番低い、α-Cristobaliteはβ-Cristobaliteより安定で、βからaに相変態する場合は格子の体積が小さくなることが確認された。(2)電子構造とフォノン振動の計算を組み合わせて1800Kまで各相の自由エネルギーを温度の関数として算出し、2つの相変態の温度（β-Cristobalite->α-Quartz、β-Cristobalite->α-Cristobalite）を求めた。(3)β-Cristobalite、α-Cristobaliteとa-QuartのSupercellにsingle N, pair N2の数種類の配置に対して形成エネルギーを計算した。pair N2の置換で、Si-N-N-Si-O のRing を形成するβ-Cristobalite 構造が他の構造より明らかに体積が小さくなり安定化することが分かった。電子構造の解析により、N2-Ring配置の導入により低エネルギー域に局所的なN(s)軌道の存在とFermiエネルギー以下のN(p) 軌道の散在分布から形成されたO(p)-Si(p)-N(p) ハイブリッド結合、N原子からSi-Nバンドへの電荷移動は系を安定化する要因とみられる。

This study is based on first-principles calculations and aims to prevent the formation of Cristobalite structures by acidizing protective films on crystalline SiO2. The first year of the study, the study of the entire Cristobalite correlation phase, and the implementation of basic calculations The main result is the following. (1) The electronic structure calculation of SiO2 with a-Cristobalite, β-Cristobalite and α-Quartz is carried out. In the structure of α-Quartz and β-Cristobalite, the lattice volume is small when I42d is low, α-Cristobalite is stable and β-Cristobalite is in phase transition. (2)The electronic structure and vibration calculation are combined to calculate the temperature of each phase (β-Cristobalite->α-Quartz, β-Cristobalite->α-Cristobalite). (3)β-Cristobalite, α-Cristobalite and a-Quart Supercell Single N, Pair N2 Number Type Configuration Pair N2 replacement, Si-N-N-Si-O ring formation, β-Cristobalite structure, other structures, small volume, stable structure. In the analysis of electronic structure, the introduction of N2-Ring configuration, the existence of N(s) orbitals in the low-energy region, the existence of Fermi orbitals, and the dispersion distribution of N(p) orbitals below form the essential factors for stabilizing the charge transfer system of O(p)-Si(p)-N(p)-Si (p)-Si (p)-N (p)-Si (p)-N (p)-Si (p)-Si (p)-N (p)-Si (p)-N)-N(p)-Si (p)-Si(p)-N(p)-Si(p)-N(p)-N)-N (p)-Si (p)-N)-N (p)-N (p)-Si (p)-N)-N (p)-Si (p)-N)-N (p)-N)-

项目成果

Stability and phase transition of Cristobalite in SiO2

SiO2 中方英石的稳定性和相变

• 发表时间: 2022
• 作者: Iida Kazuki;Kodama Katsuaki;Inamura Yasuhiro;Nakamura Mitsutaka;Chang Lieh-Jeng;Shamoto Shin-ichi;飯田一樹，樹神克明，稲村泰弘，中村充孝，張烈錚，*社本真一;久野智也・橋本忠範 ・石原 篤 ・西尾友志;加納聖人・橋本忠範・石原 篤・西尾友志;Ying Chen
• 通讯作者: Ying Chen