Thermodynamic Routes to Novel Metastable Nitrogen-Rich Nitrides

亚稳态 氮化物 化学稳定性 离子键合 材料科学 化学物理 氮气 计算化学 热力学 化学 纳米技术 离子 有机化学 物理 图层(电子)
作者
Wenhao Sun,Aaron M. Holder,Bernardo Orvañanos,Elisabetta Arca,Andriy Zakutayev,Stephan Lany,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:29 (16): 6936-6946 被引量:171
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.7b02399
摘要

Compared to oxides, the nitrides are relatively unexplored, making them a promising chemical space for novel materials discovery. Of particular interest are nitrogen-rich nitrides, which often possess useful semiconducting properties for electronic and optoelectronic applications. However, such nitrogen-rich compounds are generally metastable, and the lack of a guiding theory for their synthesis has limited their exploration. Here, we review the remarkable metastability of observed nitrides, and examine the thermodynamics of how reactive nitrogen precursors can stabilize metastable nitrogen-rich compositions during materials synthesis. We map these thermodynamic strategies onto a predictive computational search, training a data-mined ionic substitution algorithm specifically for nitride discovery, which we combine with grand-canonical DFT-SCAN phase stability calculations to compute stabilizing nitrogen chemical potentials. We identify several new nitrogen-rich binary nitrides for experimental investigation, notably the transition metal nitrides Mn3N4, Cr3N4, V3N4, and Nb3N5, the main group nitride SbN, and the pernitrides FeN2, CrN2, and Cu2N2. By formulating rational thermodynamic routes to metastable compounds, we expand the search space for functional technological materials beyond equilibrium phases and compositions.
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