探秘 Ta2AlN、Ti2AlN 和 Ti2GaN MAX 相化合物：结构、性能与应用的理论突破

为探究 Ta2AlN、Ti2AlN 和 Ti2GaN MAX 相材料性能，研究人员用 DFT 方法，发现其多方面特性，具应用潜力。

　　在材料科学的广阔领域中，新型材料的探索一直是科研人员关注的焦点。自 2004 年二维（2D）材料被发现以来，其凭借出色的电子和光电子性能，在材料科学与工程领域掀起了研究热潮。然而，这些二维材料在高温高压环境下性能受限，就像温室里的花朵，难以在恶劣条件下保持良好状态。为了解决这一难题，钛 carbide（Ti₃C₂T_x）这类 MAX 相化合物进入了人们的视野。MAX 相化合物是纳米层状的三元碳化物和氮化物，有着独特的结构和优异的性能，就像材料世界里的 “多面手”，在众多领域都有潜在应用。

此前，已有研究人员对 H、He、O 原子空位缺陷的 Ta₂Ti₂AlN 和 Ti₂GaN MAX 相材料的电子和机械性能进行了探索，但对于 Ta₂AlN、Ti₂AlN 和 Ti₂GaN MAX 相材料的结构、电子、磁性、机械和光学性能，以及它们之间的对比分析，尚未有深入研究。

为了填补这些空白，来自尼泊尔特里布万大学（Tribhuvan University）阿姆利特校区科学与技术研究所的 Hari Krishna Neupane、Dipak Oli 等研究人员，开展了一项关于 Ta₂AlN、Ti₂AlN 和 Ti₂GaN MAX 相化合物的研究。他们的研究成果发表在《Heliyon》杂志上，为材料科学领域带来了新的突破。

研究人员在这项研究中，主要运用了密度泛函理论（DFT）方法，借助维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行计算。通过设定一系列计算参数，如能量截止值、收敛阈值能量等，对材料的各项性能进行了全面研究。

研究结果如下：

1. 结构性能：研究人员通过分析晶格参数、原子间键长和基态能量，考察了 Ta₂AlN、Ti₂AlN 和 Ti₂GaN 材料的结构性能。计算结果显示，这些材料的晶格参数和键长在不同计算方法下与先前报道的值相符，且基态能量较低，表明原子间结合紧密，材料结构稳定。
2. 动力学和机械性能：利用声子色散频率曲线，研究人员对材料的动力学稳定性进行了探究。结果表明，Ta₂AlN、Ti₂AlN 和 Ti₂GaN 材料在所有对称点的声子频率均为正，系统动力学稳定。同时，通过分析弹性常数和刚度模量，研究人员预测了材料的机械性能。这些材料的弹性常数满足 Born 稳定性准则，机械稳定，且具有各向异性、硬度和键拉伸特性。根据 Pugh 比和泊松比，Ta₂AlN 呈延性，而 Ti₂AlN 和 Ti₂GaN 呈脆性。
3. 电子和磁性性能：研究人员通过能带结构和态密度（DOS）计算，研究了材料的电子性能，结果表明这些化合物具有金属特性。通过分析态密度（DOS）和分波态密度（PDOS）图，研究人员进一步研究了材料的磁性性能。结果显示，对于 GGA:PBE 和 GGA:PBE + U 泛函，Ta₂AlN 和 Ti₂GaN 呈非磁性，而 Ti₂AlN 在 GGA:PBE 泛函下呈非磁性，在 GGA:PBE + U 泛函下呈磁性。
4. 光学性能：研究人员运用基于随机相位近似（RPA）的基态电子态时间相关微扰理论，研究了材料的光学性能。通过分析介电函数、反射系数、折射率、吸收系数、能量损失函数和消光系数等与光子能量的关系图，研究人员发现这些材料在低光子能量下有响应，且在紫外线（UV）区域能量损失最大。此外，反射系数研究表明，这些材料可用于低能量区域的辐射屏蔽；折射率和消光系数计算结果表明，它们在红外（IR）区域具有高光学导电性，在光电子器件和减少太阳热辐射的涂层材料方面具有巨大潜力。

总的来说，该研究通过 DFT 方法，利用 PBE 和 PBE + U 泛函，结合 VASP 计算工具，全面研究了 Ta₂AlN、Ti₂AlN 和 Ti₂GaN 材料的结构、机械、动力学、电子、磁性和光学性能。研究发现这些材料在常温下结构稳定，动力学和机械性能良好，具有独特的电子、磁性和光学性能。这些结果为 MAX 相化合物在辐射屏蔽、光子学、光电子学、电子学、紫外线吸收涂层等领域的应用提供了理论依据，极大地拓展了人们对 MAX 相化合物的认识，为新型材料的开发和应用开辟了新的道路。不过，该研究也存在一定的局限性，如所有计算在 0 K 温度下进行，未考虑高温对材料性能的影响；计算声子色散时受超胞尺寸限制，可能导致动力学稳定性估计存在误差；研究电子和磁性性能时采用的 DFT 方法，相较于 GW 近似，预测准确性有待提高；研究光学特性时未考虑激子效应。但这并不影响该研究在材料科学领域的重要价值，未来研究人员可针对这些局限性进一步深入探索，推动 MAX 相化合物在更多领域的实际应用。