Bulk Synthesis, Structure, and Electronic Properties of Magnesium Zirconium Nitride Solid Solutions

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作者
Christopher L. Rom,M. Jewels Fallon,Allison Wustrow,Amy L. Prieto,James R. Neilson
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (13): 5345-5354 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c01450
摘要

Ternary nitride phase space holds great potential for new functional materials, as suggested by computational predictions of yet-to-be discovered stable phases. Here, we report a metathesis route to bulk powders of MgZrN2 and the solid solutions MgxZr2–xN2 (0 < x < 1). These ternary phases only result when lower temperature reactions are used, in contrast to previous work using the similar Mg-based metathesis reactions that resulted in the formation of exclusively ZrN. Thermochemical calculations illustrate why lower temperature metathesis reactions yield the incorporation of Mg, while higher temperature ceramic reactions yield exclusively ZrN. Experimental in situ X-ray diffraction of metathesis reactions during heating reveals two stages in the reaction pathway: initial consumption of the precursors to make an amorphous product (Trxn > 350 °C) followed by crystallization at higher temperatures (Trxn > 500 °C). Changing the ratio of the metathesis precursors (Mg2NCl and ZrCl4) controllably varies the composition of MgxZr2–xN2, which crystallizes as a cation-disordered rock salt, as evidenced by high-resolution synchrotron X-ray diffraction, electron microscopy, and bulk compositional analysis. Variation in composition leads to a gradual metal-to-insulator transition with increasing x, similar to other reports of analogous thin film specimens produced by combinatorial sputtering. Meanwhile, the optical behavior of these powders suggests nanoscale compositional inhomogeneity, as signatures of ZrN-like absorption are detectable even in Mg-rich samples. This metathesis approach appears to be generalizable to the synthesis of bulk ternary nitride materials.

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