Zr/Hf/Ta/W基M2 AsC MAX相碳化物的结构力学与光电特性：DFT计算揭示其多领域应用潜力

本研究通过第一性原理计算系统探究了M2 AsC（M=Zr, Hf, Ta, W）MAX相碳化物的相稳定性、力学性能及光电特性。结果表明所有化合物均具有热力学/机械稳定性，其中Zr2 AsC和W2 AsC展现高硬度特性，光学分析揭示其在7.5-20 eV紫外区具有强吸收能力，为开发新型耐高温涂层、光电转换材料提供了理论依据。

　　

在材料科学领域，兼具金属和陶瓷特性的MAX相材料因其独特的层状结构和卓越的物理化学性质备受关注。然而，含砷MAX相（M₂
AsC）作为该家族中的"冷门成员"，其基础物性数据严重缺失，这极大限制了这类材料在极端环境（如航空航天热防护、核反应堆内衬）和功能器件（如紫外探测器、能量吸收涂层）中的应用探索。更关键的是，不同过渡金属（Zr/Hf/Ta/W）与砷的协同作用如何影响材料本征特性，至今缺乏系统性研究。北京理工学院的研究团队在《Journal of Molecular Graphics and Modelling》发表的研究，首次通过密度泛函理论（DFT）对M₂
AsC系列化合物展开全面解码。

研究采用CASTEP软件包，基于广义梯度近似（GGA）和PBE泛函进行第一性原理计算，结合模守恒赝势处理电子-离子相互作用。通过计算形成焓、弹性常数、能带结构、态密度及光学参数矩阵，构建了从原子尺度理解材料宏观特性的完整框架。

【结构特性】
晶体结构分析显示所有M₂
AsC均属P6₃
/mmc空间群，具有典型MAX相层状特征。Zr/Hf/Ta/W-As-C原子沿c轴交替堆叠，其中M-C层呈现强共价键合，而M-As相互作用较弱。

【力学性能】
负的形成焓值（-0.45至-1.32 eV/atom）证实材料的热力学稳定性。弹性常数计算表明所有体系满足Born稳定性判据，其中Zr₂
AsC和W₂
AsC的B/G比值（2.81/2.94）显著高于Hf₂
AsC（1.89）和Ta₂
AsC（1.76），预示前者具有更好的塑性变形能力。

【电子结构】
能带与态密度分析揭示所有化合物均呈现金属特性。费米面附近存在由M-d轨道与C-p轨道杂化形成的赝能隙，其中W₂
AsC在-1.5 eV处出现显著态密度峰，这可能与其特殊的光响应特性相关。

【光学性质】
介电函数计算表明，M₂
AsC在7.5-20 eV紫外区具有峰值吸收系数（>10⁵
cm^-1
），且光学响应范围覆盖1.7 eV（红外）至11 eV（深紫外）。特别值得注意的是，W₂
AsC在8-12 eV区间的反射率低于15%，显示其作为深紫外吸收材料的独特优势。

该研究首次建立了砷基MAX相"成分-结构-性能"的定量关系图谱，不仅填补了M₂
AsC体系的基础物性数据库，更揭示了W₂
AsC在极端环境功能材料领域的应用潜力。理论预测的强紫外吸收特性为开发新型太空辐射防护涂层提供了材料设计方向，而揭示的M-C/M-As键合差异则为调控材料力学性能提供了原子尺度调控策略。这些发现将加速MAX相材料在核工业、航天热防护等国家战略需求领域的应用进程。