新型 MAX 相 Y2AN（A=In、Tl）：晶体稳定性与输运性质的理论探索及应用前景

为拓展 M2AX 化合物家族，研究人员开展了对新型 MAX 相 Y2AN（A=In、Tl）晶体稳定性和输运性质的研究。通过 DFT 计算，发现该相热力学、结构稳定，具金属性，在 UV 区域导电性高。这为其实验研究和应用提供了理论基础。

　　在材料科学的广袤领域中，随着科技的飞速发展，对新型材料的需求如同潮水般不断涌现。传统材料在面对日益复杂的应用场景时，逐渐显露出性能上的短板，这促使科研人员不断探索和挖掘新材料的潜力。MAX 相作为一类具有独特性质的化合物，近年来受到了广泛关注。它兼具金属和陶瓷的优点，如高结构刚度和良好的导电、导热性，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前对于 MAX 相的研究仍存在诸多未知，新的 MAX 相有待发现，其性质和应用也需要进一步深入探索。

为了填补这些知识空白，来自多个研究机构的科研人员，包括 Hajee Mohammad Danesh Science and Technology University、University of Rajshahi、International Islamic University Chittagong、King Khalid University 以及 Bangamata Sheikh Fojilatunnesa Mujib Science & Technology University 等，开展了一项针对新型 MAX 相 Y₂AN（A=In、Tl）的研究。该研究成果发表在《Heliyon》杂志上，为 MAX 相的研究领域注入了新的活力。

研究人员主要运用了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法。在计算过程中，采用了 Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）版本的广义梯度近似（GGA）作为交换关联泛函，借助 Cambridge Serial Total Energy Package（CASTEP）代码进行计算。通过设定一系列严格的计算参数，如平面波基组的高能量截断值、k 点网格配置等，确保了计算结果的准确性和可靠性。

1. 结构预测与稳定性分析

研究人员预测 Y₂InN 和 Y₂TlN 化合物具有 Sc₂AC（A=Ga, In）型结构，属于六方晶系，空间群为 P6₃mm（No. 194）。通过与其他含钇 MAX 相的对比，发现计算得到的晶格参数与文献值相符，表明研究结果可靠。

在稳定性分析方面，研究人员从多个角度进行了深入探究。通过检查 c/a 比、内部参数 z_m以及利用八面体（O_r）和三角棱柱（P_r）参数计算晶胞畸变，结果显示 Y₂InN 和 Y₂TlN 的结构接近理想状态，具有较高的稳定性。计算总基态能量和单位晶胞体积，并拟合 Birch-Murnaghan 状态方程，进一步证实了它们的稳定性。

从热力学角度，研究人员计算了凝聚能（E_coh）和形成焓。结果表明，Y₂AN（A=In、Tl）的凝聚能与其他合成的钇基 MAX 相相近，且能量值为负，这意味着该 MAX 相在热力学上是稳定的，能够通过实验方法成功合成。同时，预测的熔点温度与凝聚能和弹性常数计算结果一致，表明其具有较强的抗热应力能力。

研究人员还计算了总态密度（TDOS），发现费米能级附近的 TDOS 呈现局部最小值，这通常意味着更高的结构稳定性。此外，费米能级位于键合区域，也为结构稳定性提供了积极信号。

在弹性性质方面，计算得到的弹性常数满足 Born 稳定性标准，表明 Y₂AN（A=In、Tl）在力学上是稳定的。其中，Y₂InN 的弹性常数普遍高于 Y₂TlN（除 C₁₁和 C₁₂外），且 C₁₁>C₃₃，说明沿 [100] 方向的键合强度强于 [001] 方向。四方剪切模量（C_t）的大正值表明这些材料具有动力学稳定性，通过密度泛函微扰理论（DFPT）计算的声子谱色散也证实了这一点，声子色散曲线中没有出现虚声子频率，意味着该 MAX 相可以通过实验合成。

2. 输运行为预测

通过分析电子能带结构、态密度（DOS）和载流子有效质量，研究人员对 Y₂AN（A=In、Tl）的输运行为进行了预测。计算结果表明，Y₂AN（A=In、Tl）MAX 相具有金属性，多个能带穿过费米能级，但在不同晶体学方向上存在各向异性输运性质。沿 c 轴方向的能量色散较低，导致电子有效质量较大，电导率低于基平面。

进一步计算发现，Y₂AN（A=In、Tl）中载流子的有效质量存在各向异性。空穴的有效质量比电子重，这意味着电子具有更高的迁移率，有利于电荷传输。在不同高对称点计算得到的电子和空穴有效质量表明，电子在 Γ→λ 方向、空穴在 λ→L 方向具有更高的迁移率，这为优化材料的电荷传输性能提供了方向。

通过分析态密度（DOS），研究人员量化了 Y₂AN（A=In、Tl）的金属性。计算费米速度（v_F）发现，电子的有效质量较轻，费米速度较高，这增强了材料的整体导电性能，使其在电荷和热传输方面更加高效。

3. 光学导电性研究

研究人员首次计算了 Y₂AN（A=In、Tl）的光学电导率和吸收光谱，以探究其光学性质。结果显示，Y₂InN 和 Y₂TlN 的光学电导率在紫外（UV）区域达到最高，表明它们在 UV 特定应用中具有巨大潜力，如 UV 传感器、UV 光电探测器和防护涂层等。在可见范围内，它们也具有一定的光学导电性，但最高值仍在 UV 区域。

光学吸收光谱表明，Y₂AN（A=In、Tl）在 UV 区域具有较强的吸收能力，这使得它们成为防护涂层的理想材料，能够有效阻挡有害的 UV 辐射，并将 UV 光转化为电信号。光学电导率和吸收之间的相关性表明，吸收光子会产生更多的自由载流子，从而提高材料的导电性。

综上所述，该研究成功预测了新型 MAX 相 Y₂InN 和 Y₂TlN 的存在，并对其晶体稳定性、输运性质和光学性质进行了全面深入的研究。结果表明，这两种化合物具有良好的稳定性和独特的物理性质，在先进材料领域具有广阔的应用前景。虽然研究未考虑零点能，但目前的结果仍为进一步的实验和理论研究提供了可靠的基础。这一研究成果不仅丰富了 MAX 相的理论知识，也为新型材料的开发和应用提供了重要的参考，有望推动材料科学在相关领域的发展。