Zn(NCN)单轴的负热膨胀性及机理研究

doi:10.7503/cjcu20220124

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 20220124.doi: 10.7503/cjcu20220124

Zn(NCN)单轴的负热膨胀性及机理研究

施耐克¹, 张娅¹, SANSON Andrea², 王蕾³, 陈骏¹()

^1.北京科技大学物理化学系, 北京材料基因工程高精尖创新中心, 北京 100083
^2.意大利帕多瓦大学天文物理系, 帕多瓦 I? 35131
^3.北京科技大学物理系, 北京 100083

收稿日期:2022-03-01 出版日期:2022-06-10 发布日期:2022-04-11
通讯作者: 陈骏 E-mail:junchen@ustb.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22101020);中央高校基本科研业务费(20-041A2)

Uniaxial Negative Thermal Expansion and Mechanism in Zn（NCN）

SHI Naike¹, ZHANG Ya¹, SANSON Andrea², WANG Lei³, CHEN Jun¹()

^1.Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering，Department of Physical Chemistry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China
^2.Department of Physics and Astronomy，University of Padova，Padova I? 35131，Italy
^3.Department of Physics，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China

Received:2022-03-01 Online:2022-06-10 Published:2022-04-11
Contact: CHEN Jun E-mail:junchen@ustb.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22101020);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(20-041A2)

摘要/Abstract

摘要：

负热膨胀(NTE)是一种反常的物理现象, 已在合金和框架结构化合物等材料中被观察到, 但NTE材料的种类仍然有限. 本文合成了一种单轴NTE材料Zn(NCN), 该材料在c轴方向及在100~475 K下的热膨胀系数为-3.35×10^?6 K^?1, 而a轴和b轴方向则呈低热膨胀性, 体积具有低的热膨胀系数[6.13×10^?6 K^?1(100~475 K)]. 通过同步辐射X射线衍射、扩展X射线吸收精细结构和拉曼光谱等方法, 研究了Zn(NCN)的NTE机理. 结果表明, Zn—N键具有明显的横向振动, 一些低频振动模Grüneisen参数为负值. 直接的实验证据表明, N=C=N的横向振动以及准刚性ZnN₄四面体的耦合旋转和扭摆导致了c轴方向的NTE.

关键词: 负热膨胀, 框架结构, 晶体结构, 氰胺锌, 横向振动

Abstract:

As an abnormal physical phenomenon， negative thermal expansion（NTE） has been observed in some materials like alloys and framework structure materials. However， the types of NTE materials are still limited. In this study， a uniaxial NTE material Zn（NCN） was synthesized. The coefficient of thermal expansion of the c-axis is -3.35×10^?6 K^?1 of 100—475 K， while the a and b axes show low thermal expansion. The volume of Zn（NCN） has a low coefficient of thermal expansion（α_vca. 6.13×10^?6 K^?1， 100—475 K）. The NTE mechanism was revealed by joined methods of synchrotron X-ray diffraction， extended X-ray absorption fine structure spectroscopy， and Raman spectra. It is found that the Zn—N exhibits obvious transverse vibration. Some low frequency vibration modes show negative Grüneisen parameter. The direct experimental evidence reveals that the transverse vibration of N=C=N linkage and coupling rotation and twist of quasi rigid ZnN₄ tetrahedra result in the NTE in the c-axis.

Key words: Negative thermal expansion, Framework structure, Crystal structure, Zinc cyanamide, Transverse vibration

中图分类号:

O641

TrendMD:

施耐克, 张娅, SANSON Andrea, 王蕾, 陈骏. Zn(NCN)单轴的负热膨胀性及机理研究. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220124.

SHI Naike, ZHANG Ya, SANSON Andrea, WANG Lei, CHEN Jun. Uniaxial Negative Thermal Expansion and Mechanism in Zn（NCN）. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220124.

图/表 5

Fig.1 Refinement pattern(A) and the crystal structure(B) of Zn(NCN)

Fig.2 Temperature dependence of lattice parameters of a(A), b(B), c(C) and volume(D) of Zn(NCN)

Fig.3 Partial crystal structure of Zn(NCN)(A), distance of C…C(B), the angle of N(long)—C—N(long)(C), and the angle of Zn—N(short)—C(D) as function of temperature derived from SXRD（A） The inset shows the enlarged view of ZnN4 tetrahedron；（B） corresponding to the red dashed line in （A）；（C） corresponding to the orange angle in （A）；（D） corresponding to the blue angle in （A）.

Fig.4 Fourier transform of the Zn K?edge EXAFS signal in ZnNCN(A), average Zn—N bond thermal expansion measured by EXAFS and by X?ray diffraction(B), parallel and perpendicular MSRDs for the average Zn—N distances of ZnNCN(C), anisotropy of the relative Zn—N thermal vibrations(D)（C） Continue lines are the corresponding best-fitting with the Einstein model.

Fig.5 Temperature?dependent Raman spectra(A) and the enlarged view(B1, B2) of corresponding Raman shift as a function of the temperature in Zn(NCN), pressure?dependent Raman spectra(C) and the low?frequency Raman shift as a function of the pressure(D) of Zn(NCN)

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