Étude des propriétés structurales, électroniques, mécaniques et optiques des hydrures complexes MXH4 tels que (M=Na, Li et X=B, Al)

Abstract

A comprehensive study of structure, phase stability, optical, thermodynamic, elastic and electronic properties of MXH4 (M=Na, Li et X=B, Al) light-metal hydrides is presented by carrying out First-principles calculations within density-functional theory DFT using the Augmented Plane Wave plus local orbitals (APW+lo) method. The exchange–correlation potential is treated within the LDA and GGA to calculate the total energy. Furthermore, the Engel–Vosko (EV-GGA) and mBJ approach are employed to compute the electronic and optical properties. The phases α, β and γ of MXH4 (M=Na, Li et X=B, Al) hydrides are investigated, the phase transition from β to high-pressure γ phase is determined for NaBH4 and LiBH4 compounds with the GGA and is accompanied by a 1% and 16% volume decrease respectively. For LiAlH4 and NaAlH4, no phase transition is detected. The materials under consideration are classified as wide band-gap compounds. From the analysis of the structures at different phases, it is deduced that the hydrides show strong covalent interaction between B (Al) and H in the   4 BH  (   4 AlH  ) anions and ionic bonding character between   4 BH  and Na+ (Li+) for NaBH4 (LiBH4) and   4 AlH  and Na+ (Li+) for NaAlH4 (LiAlH4). The complex dielectric function, absorption coefficient and the reflectivity spectra are also computed and analyzed in different phases. Thermodynamic properties are predicted by Debye's quasi-harmonic model. This study allowed us to have an overall idea of the effect of temperature and of the pressure on certain macroscopic parameters such as the thermal capacities Cv and Cp, the coefficient of thermal expansion α and the temperature of Debye. The independent elastic constants at zero and high pressure, bulk modulus B, and the shear modulus G were evaluated. Further, the numerical estimates of a set of elastic parameters [Young’s modulus E, Poisson’s ratio] of MXH4 (M=Na, Li et X=B, Al) compounds (in the framework of the Voigt–Reuss–Hill approximation) were performed. The Debye temperature is also estimated from the average sound velocity. On présente une étude approfondie de la structure, de la stabilité de phase, des propriétés optiques, thermodynamiques, élastiques et électroniques des hydrures complexes de métaux légers MXH4 (M = Na, Li et X = B, Al) en effectuant des calculs du premier principe de la théorie de la fonctionnelle de la densité DFT en utilisant la méthode des ondes planes augmentées plus orbitales locales (APW+lo). Le potentiel d'échange et de corrélation est traité dans LDA et GGA pour calculer l'énergie totale. Par ailleurs, les approches Engel-Vosko (EV-GGA) et mBJ sont utilisées pour calculer les propriétés électroniques et optiques. Les phases α, β et γ des hydrures MXH4 (M = Na, Li et X = B, Al) sont étudiées, la transition de phase de β à la phase à haute pression γ est déterminée pour les composés NaBH4, LiBH4 avec la GGA et est accompagnée d'une diminution de volume de 1% et 16% respectivement. Pour LiAlH4 et NaAlH4, aucune transition de phase n'est détectée. Les matériaux considérés sont classés comme composés à large bande interdite. De l’analyse des structures aux différentes phases, on déduit que les hydrures présentent une forte interaction covalente entre B (Al) et H dans les anions   4 BH  (   4 AlH  ) et le caractère de liaison ionique entre   4 BH  et Na+ (Li+) pour NaBH4 (LiBH4) et (   4 AlH  ) et Na+ (Li+) pour NaAlH4 (LiAlH4). La fonction diélectrique complexe, le coefficient d'absorption et le spectre de réflectivité sont également calculés et analysés en différentes phases. Les propriétés thermodynamiques sont prédites par le modèle quasi-harmonique de Debye. Cette étude nous a permis d'avoir une idée globale de l'effet de la température et de la pression sur certains paramètres macroscopiques tels que les capacités thermiques Cv et Cp, le coefficient de dilatation thermique α et la température de Debye. On a évalué les constantes élastiques indépendantes à haute et à pression nulle, le module de compressibilité B et le module de cisaillement G. De plus, on a effectué les estimations numériques d'un ensemble de paramètres élastiques (module d'Young E, rapport de Poisson) des composés MXH4 (M = Na, Li et X = B, Al) dans le cadre de l'approximation de Voigt-Reuss-Hill. La température de Debye est également estimée à partir de la vitesse sonore moyenne. قمنا بدراسة الخصائص البنيوية واستقرارها، دراسة الخصائص الضوئية، التارموديناميكية، المرونية والخصائص DFT في إطار نظرية دالية الكثافة MXH4 (M = Na, Li X = B, Al) الالكترونية للهيدريدات المركبة للمعادن الخفيفة ولدراسة الخصائص GGA وتقريب التدرج المعمم LDA بحساب كمون تبادل-ارتباط وذلك باستعمال تقريب الكثافة المحلية .mBJ و EV-GGA الالكترونية والضوئية، تم استعمال تقريبي الى الطور ذو β التحول الطوري من . MXH4 (M= Na , Li ; X=B,Al) للهيدريد γ، β، α قمنا بدراسة الاطوار ترافقه نسبة الانخفاض في الحجم ب % 1 و 16 % على التوالي.أما LiBH و 4 NaBH تم تحديده للمركبات 4 γ الضغط المرتفع لا يوجد تحول طوري. تصنف هذه المواد ضمن مركبات عازلة ذات فجوة طاقوية LiAlH و 4 NaAlH بالنسبة للمركبات 4 عريضة. من خلال تحليل البنيات في مختلف الأطوار، نستخلص بأن هذه الهيدريدات تمتلك خاصية الرابطة التكافؤية القوية بين BH4  في الأيونات H و B(Al)   ( و  4 AlH  BH4  ) وخاصية الرابطة الأيونية بين  NaBH بالنسبة 4 Na+ (Li+) و AlH4  و Na+ (Li+) وبين (LiBH4)  .)LiAlH و) 4 NaAlH بالنسبة 4 تم دراسة الخصائص الضوئية من ثابت العزل الكهربائي، معامل الامتصاص وطيف الانعكاس في مختلف الأطوار. كما قمنا بدراسة الخصائص التارموديناميكية بالاعتماد على نموذج ديباي. هذه الدراسة سمحت بإعطائنا فكرة عامة Cv والحجم الثابت CP السعات الحرارية ذات الضغط الثابت ،α حول تأثير الحرارة و الضغط على معامل التمدد الحراري ودرجة حرارة ديباي. G و معامل القص B كما قمنا بحساب الثوابت المرونية المستقلة في ضغط مرتفع و معدوم، معامل الانضغاطية MXH للمركبات 4 (Poisson نسبة ، E بالاضافة الى حساب التقريبات العددية لمجموعة من العوامل المرونية (معامل يونغ كما تم حساب درجة حرارة ديباي من خلال السرعة الصوتية المتوسطة. . Voigt–Reuss–Hill في اطار تقريب