Theoretical Structure Prediction and High-Pressure Synthesis of a Layered Sodium Silicide Zintl Phase: Na 2 Si 3

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作者
Morgan C. Redington,Leon Schutte,Doaa Omar A. Ali,Dmitrii Druzhbin,Rana Ghannam,Sylvain Pitié,Julien Fullenwarth,Michael Marek Koza,Jerome Alexandre Rouquette,Mickaël Beaudhuin,Wilson A. Crichton,Gilles Frapper,R. Viennois
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:65 (28): 16219-16233
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.6c01570
摘要

The discovery of silicon-rich compounds with tailored electronic and thermal properties remains an important objective in materials chemistry. Here, we report the high-pressure/high-temperature (HP–HT) synthesis and theoretical characterization of a new sodium silicide, Na 2 Si 3, stabilized near 5 GPa. Na 2 Si 3 is recoverable to 1 bar. Evolutionary crystal structure prediction combined with in situ synchrotron X-ray diffraction and density functional theory calculations shows that Na 2 Si 3 adopts a tetragonal structure (space group P -42 1 m, Z = 2 ) composed of layered silicon slabs separated by sodium atoms. The bonding can be rationalized within the Zintl–Klemm framework with a formal charge distribution (Na + ) 2 (Si 0 )(Si – ) 2 . Thermodynamic calculations indicate that Na 2 Si 3 becomes stable at ∼5 GPa while remaining metastable at ambient pressure. Electronic structure calculations predict semiconducting behavior with an indirect band gap of ∼1.14 eV that increases under compression. The pentagonal topology of the silicon layers and the relatively low predicted thermal conductivity suggest potential interest for thermoelectric material design.
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