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Computational discovery of stable and metastable ternary oxynitrides

三元运算 亚稳态 氮化物 材料科学 凸壳 晶体结构 化学物理 结晶学 计算机科学 化学 纳米技术 数学 正多边形 物理 量子力学 图层(电子) 几何学 程序设计语言
作者
Abhishek Sharan,Stephan Lany
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:154 (23): 234706-234706 被引量:36
标识
DOI:10.1063/5.0050356
摘要

Materials design from first principles enables exploration of uncharted chemical spaces. Extensive computational searches have been performed for mixed-cation ternary compounds, but mixed-anion systems are gaining increased interest as well. Central to computational discovery is the crystal structure prediction, where the trade-off between reliance on prototype structures and size limitations of unconstrained sampling has to be navigated. We approach this challenge by letting two complementary structure sampling approaches compete. We use the kinetically limited minimization approach for high-throughput unconstrained crystal structure prediction in smaller cells up to 21 atoms. On the other hand, ternary—and, more generally, multinary—systems often assume structures formed by atomic ordering on a lattice derived from a binary parent structure. Thus, we additionally sample atomic configurations on prototype lattices with cells up to 56 atoms. Using this approach, we searched 65 different charge-balanced oxide–nitride stoichiometries, including six known systems as the control sample. The convex hull analysis is performed both for the thermodynamic limit and for the case of synthesis with activated nitrogen sources. We identified 34 phases that are either on the convex hull or within a viable energy window for potentially metastable phases. We further performed structure sampling for “missing” binary nitrides whose energies are needed for the convex hull analysis. Among these, we discovered metastable Ce3N4 as a nitride analog of the tetravalent cerium oxide, which becomes stable under slightly activated nitrogen condition ΔμN > +0.07 eV. Given the outsize role of CeO2 in research and application, Ce3N4 is a potentially important discovery.

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