Thermo-elastic and optical properties of molybdenum nitride

This contribution aims to investigate volume-dependent thermal and mechanical properties of the two most studied phases of molybdenum nitride (c-MoN and h-MoN) by means of the quasi-harmonic approximation approach (QHA) via first-principles calculations up to their melting point and a pressure of 12 GPa. Lattice constants, band gaps, and bulk modulus at 0 K match corresponding experimental measurements well. Calculated Bader's charges indicate that Mo-N bonds exhibit a more ionic nature in the cubic MoN phase. Based on estimated Gibbs free energies, the cubic phase presents thermodynamic stability higher than that detected for hexagonl, with no phase transition observed in the selected T-P conditions as detected experimentally. The elastic stiffness coefficients of MoN in hexagonal structure revealed that it is stable elastically; in contrast to the cubic structure. The temperature dependence on the bulk modulus is more profound on the dense cubic phase than on the hexagonal phase. Overall, the two considered structures of molybdenum nitride display very minimal harmonic effects, evidenced by the slight variation of thermal and mechanical properties with the increase of pressure and temperature. The optical conductivity of both phases near a zero photon energy coincides well with their metallic character inferred by their corresponding DOS curves. It is expected that the thermo-elastic properties of saturated molybdenum nitrides reported in this study will aid in the continuous pursuit to enhance their catalytic and mechanical utilizations. Key words: density functional theory, thermo-elastic properties, molybdenum nitride. Nous entreprenons ici une etude des proprietes thermiques et mecaniques dependantes en volume des deux phases les plus etudiees du nitrure de molybdene (c-MoN et h-MoN), a l'aide de l'approximation quasi-harmonique (AQH/QHA) via des calculs a partir de principes premiers, jusqu'au point de fusion et a des pressions de 12 GPa. Les valeurs calculees des constantes de reseau, des bandes interdites et du module d'elasticite volumique a 0 K correspondent bien aux mesures experimentales. Le calcul des charges de Bader indique que le lien Mo-N est plus ionique dans la phase cubique c-MoN. Sur la base des energies libres de Gibbs estimees, la phase cubique presente une meilleure stabilite thermodynamique que la phase hexagonale, sans transition de phase observee dans les conditions T-P fixees, tel qu'observe experimentalement. Les coefficients de rigidite de MoN dans la phase hexagonale montrent que cette structure est elastiquement stable, contrairement a la phase cubique. La dependance en temperature du module d'elasticite volumique est plus importante dans la phase cubique que dans la phase hexagonale. Dans l'ensemble, les deux structures etudiees ici de nitrure de molybdene montrent tres peu d'effets harmoniques, ce qui est rendu evident par la faible variation des proprietes thermiques et mecaniques avec les augmentations de pression et de temperature. La conductivite optique des deux phases pour des photons de tres faible energie coincide bien avec leur caractere metallique suggere par leurs courbes DOS correspondantes. Nous croyons que les proprietes thermo-elastiques du nitrure de molybdene presentees ici aideront la poursuite de leurs utilisations catalytiques et mecaniques. [Traduit par la Redaction] Mots-cles: theorie de la fonctionnelle de densite, proprietes thermo-elastiques, nitrure de molybdene.
1. Introduction Owing to an array of remarkable properties, molybdenum has been at the centre of a great deal of research as it constitutes the parent metal of various carbides, [...]