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Negative thermal expansion in the Ruddlesden-Popper calcium titanates

负热膨胀 正交晶系 材料科学 单斜晶系 钙钛矿(结构) 哥伦布 热膨胀 凝聚态物理 声子 结晶学 密度泛函理论 物理 晶体结构 量子力学 化学 复合材料 陶瓷
作者
Nathan Z. Koocher,Liang‐Feng Huang,James M. Rondinelli
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (5) 被引量:14
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.053601
摘要

Materials exhibiting negative thermal expansion (NTE) are important for the fabrication and operation of microelectronic devices and optical systems. As an important group of Ruddlesden-Popper (RP) perovskites, calcium titanates ${\mathrm{Ca}}_{n+1}{\mathrm{Ti}}_{n}{\mathrm{O}}_{3n+1}$ [(CTO), $n=1,2,...,\ensuremath{\infty}$] have layered structures and may exhibit quasi-two-dimensional (quasi-2D) NTE within their three-dimensional structural architectures. In this paper, combining density-functional-theory calculations and the self-consistent quasiharmonic approximation method, we investigate the variation of the quasi-2D character of the phonon spectra and thermal expansion in the ${\mathrm{Ca}}_{n+1}{\mathrm{Ti}}_{n}{\mathrm{O}}_{3n+1}$ family ($n=1--3$, and $\ensuremath{\infty}$) with respect to $n$. We find that a quasi-2D NTE mechanism is active in the RP-CTOs at $n$ of 1--3, whereas a quasi-rigid-unit mode mechanism is active at $n=\ensuremath{\infty}$ (i.e., the perovskite phase). We find a NTE trend with layer number for the orthorhombic materials comprising the RP series, but the monoclinic polymorph is an outlier. For the orthorhombic members, we find the critical pressure for NTE increases with increasing $n$, but the NTE critical temperature decreases (when materials are compared at the same pressure). Additionally, the elastic moduli can be used as effective descriptors for this layer-dependent behavior of the NTE, i.e., the stiffer the RP-CTO then the lower its NTE. We also propose the integrated NTE capacity to capture the correlation between the quasi-2D NTE and $n$, and it monotonically decreases with increasing $n$.
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