A computational study on the superionic behaviour of ThO2

文献情報

出版日 2016-10-24
DOI 10.1039/C6CP05794B
インパクトファクター 3.676
著者

P. S. Ghosh, A. Arya, G. K. Dey, N. Kuganathan, R. W. Grimes


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要旨

This study reports the density functional theory (DFT) and classical molecular dynamics (MD) study of the lattice dynamical, mechanical and anionic transport behaviours of ThO2 in the superionic state. DFT calculations of phonon frequencies were performed at different levels of approximation as a function of isotropic dilation (ε) in the lattice parameter. With the expansion of the lattice parameter, there is a softening of B1u and Eu phonon modes at the X symmetry point of the Brillouin zone. As a result of the nonlinear decrease at the X point, the B1u and Eu phonon modes cross each other at ε = 0.03, which is associated with a sharp increase in the narrow peak of the phonon density of states, signifying a higher occupation and hence a higher coupling of these modes at high temperatures. The mode crossing also indicates anionic conductivity in the 〈001〉 direction leading to occupation of interstitial sites. Moreover, MD and nudged elastic band calculated diffusion barriers indicate that 〈001〉 is the easy direction for anion migration in the normal and superionic states. With a further increase in the lattice parameter, the B1u mode continues to soften and becomes imaginary at a strain (ε) of 0.036 corresponding to a temperature of 3430 K. The calculated temperature variation of single crystal elastic constants shows that the fluorite phase of ThO2 remains elastically stable up to the superionic regime, though the B1u phonon mode is imaginary in that state. This leads to anionic disorder at elevated temperatures. Tracking of anion positions in the superionic state as a function of time in MD simulations suggests a hopping model in which the oxygen ions migrate from one tetrahedral site to another via octahedral interstitial sites.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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