การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและสมบัติทางกายภาพของสารแกลเลียมอาร์เซไนด์ภายใต้สภาวะความดันสูงโดยวิธีคำนวณแบบแอบอินิโช

Abstract

การคำนวณแบบแอบอินิโชได้นำมาใช้ในการค้นหาสถานะเชิงโครงสร้างของสารแกลเลียมอาร์เซไนด์ภายใต้ความดันสูงจนถึง 200 จิกกะปาสคาล เมื่อทำการเปรียบเทียบพลังงานเสรีพบว่าโครงสร้างที่เสถียรของสารแกลเลียมอาร์เซไนด์ในเฟสที่สูงกว่า GaAs-III (Imm2) คือ Pmma และ P4/nmm ในช่วงความดัน 88-146 และ 146-200 จิกกะปาสคาล ตามลำดับ ในการหาข้อโต้แย้งกับงานวิจัยก่อนหน้า เราพบว่าโครงสร้ าง Pmma และ P4/nmm คือ โครงสร้ างที่เสถียรแต่มีสมมาตรน้อยกว่าของโครงสร้ าง P6/mmm และ CsCl-like ตามลำดับ สำหรับการเปลี่ยนเฟสของ Pmma→P4/nmm พบว่ากำแพงพลังงานในการเปลี่ยนโครงสร้ างซึ่งเกิดในทิศทาง [110] มีค่า เท่ากับ 0.035 eV กราฟของความหนาแน่นสถานะไม่แสดงช่องว่างพลังงานในทั้งสองเฟสที่ความดัน 130 และ 160 จิกกะปาสคาล บ่งชี้ว่า Pmma และ P4/nmm มีสถานะของโครงสร้ างเป็นโลหะ การกระจายตัวของความแตกต่างของความหนาแน่นอิเล็กตรอนมีความแตกต่างที่ปรากฎใน Pmma สูงกว่าใน P4/nmm นอกจากนั้นค่าความยืดหยุ่นของสารบ่งบอกว่าโครงสร้าง Pmma มี สมบัติที่แข็งและเหนียว ในขณะที่ P4/nmm เป็นโครงสร้างที่เปราะ

Ab initio calculations were performed for investigating the high pressure phases of GaAs up to 200 GPa. By comparing the minimum free energies of structures, we found the thermodynamically stable phases of GaAs under pressure beyond GaAs-III (Imm2) with space groups Pmma and P4/nmm at the pressure range of 88-146 GPa and 146-200 GPa, respectively. For discussing the difference results of GaAs IV and V in previous studies, we found that Pmma and P4/nmm are the lower symmetric phases of P6/mmm and CsCl-like, respectively. For analyzing the Pmma→P4/nmm phase transition, we observed the approximated path and found that the barrier of transformation from Pmma to P4/nmm in direction [110] is 0.035 eV. The graph of density of states shows no energy gap in stable phases at 130 and 160 GPa, indicating that Pmma and P4/nmm are the metallic phases. The contour plots of the electron density difference show some valence electron sharing in Pmma which is higher than in P4/nmm. Moreover, the results of elastic parameters and modulus ratio suggested that the Pmma phase is a ductile material, while the P4/nmm phase is a brittle due to the increasing of shear modulus.