Mg³XO4 (X = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) malzemelerinin fiziksel özelliklerinin ab-initio ile incelenmesi

Abstract

Malzeme geliştirme, büyük ölçüde tasarım ve teorik analizlere dayanmaktadır. Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT), bu hedefe ulaşmada güçlü bir araçtır. Bu çalışmada DFT kullanılarak, Mg?XO? (X = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) bileşiklerinin yapısal, elastik, mekanik, termodinamik, elektronik ve dinamik özellikleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Mg?XO? (X= Cr, Mn, Fe, Co, Ni) bileşikleri için hesaplanan oluşum enerjilerinin negatif olması, bu malzemelerin sentezlenebilir ve dinamik olarak kararlı olduğunu göstermektedir. Malzemelerin elastik sabitlerindeki değişim, tüm malzemelerin Born kararlılık kriterini sağladığını, dolayısıyla Mg?XO? (X = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) bileşiklerinin mekanik olarak kararlı olduğunu göstermektedir. Elastik sabitler kullanılarak çeşitli polikristal parametreler türetilmiş ve değerlendirilmiştir. Tüm malzemelerin kırılgan, sert (Vickers sertliği) ve manyetik olduğu belirlenmiştir. Ayrıca Young modülü, Shear modülü ve Poisson oranında belirli bir ölçüde anizotropi sergiledikleri bulunmuştur. Elektronik bant yapıları incelendiğinde, Mg?CrO?, Mg?MnO? ve Mg?FeO? bileşiklerinin yarı metalik bir yapıya sahip olduğu; Mg?CoO? ve Mg?NiO? bileşiklerinin ise hem çoğunluk hem de azınlık enerji bantlarının Fermi seviyesini kesmesi nedeniyle metalik özellik gösterdiği belirlenmiştir. Fonon modlarının tüm frekanslarının pozitif olması, bu malzemelerin dinamik kararlı olduğunu doğrulamaktadır. Ayrıca, malzemelerin serbest enerji, entropi, özgül ısı kapasitesi, Debye ve erime sıcaklıkları, minimum termal iletkenlik ve Grüneisen parametreleri de hesaplanarak detaylı bir şekilde tartışılmıştır.The development of new materials depends heavily on meticulous design and theoretical analysis. Density functional theory (DFT) is widely used for this purpose. In this work, Mg?XO? compounds (X = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) were investigated to explore their core properties via DFT-based simulations. A thorough examination was conducted on their structural, elastic, mechanical, thermodynamic, electronic, and dynamical features. The negative formation energies calculated for all compositions indicate their dynamic stability and feasibility for synthesis. Elastic constant values confirm that each material meets Born stability conditions. Several polycrystalline mechanical parameters were also assessed. The findings suggest these compounds tend to be brittle, exhibit notable Vickers hardness, and display magnetic behavior. Anisotropy was observed in mechanical moduli such as Young's modulus, shear modulus, and Poisson's ratio. Band structure results show that Mg?CrO?, Mg?MnO?, and Mg?FeO? exhibit semi-metallic nature, while Mg?CoO? and Mg?NiO? behave metallically, with spin bands overlapping the Fermi level. Phonon dispersion analysis confirms dynamical stability, as all frequencies are positive. Additionally, thermodynamic parameters including free energy, entropy, heat capacity, Debye temperature, melting point, thermal conductivity, and Grüneisen parameter were calculated to further characterize these materials.