Elastic and electronic properties of fluorite RuO₂ from first principle

Abstract

The elastic, thermodynamic, and electronic properties of fluorite RuO₂ under high pressure are investigated by plane-wave pseudopotential density functional theory. The optimized lattice parameters, elastic constants, bulk modulus, and shear modulus are consistent with other theoretical values. The phase transition from modified fluorite-type to fluorite is 88 GPa (by localized density approximation, LDA) or 115.5 GPa (by generalized gradient approximation, GGA). The Young's modulus and Lamé's coefficients are also studied under high pressure. The structure turned out to be stable for the pressure up to 120 GPa by calculating elastic constants. In addition, the thermodynamic properties, including the Debye temperature, heat capacity, thermal expansion coefficient, Grüneisen parameter, and Poisson's ratio, are investigated. A small band gap is found in the electronic structure of fluorite RuO₂ and the bandwidth increases with the pressure. Also, the present mechanical and electronic properties demonstrate that the bonding nature is a combination of covalent, ionic, and metallic contributions.

Пружнi, термодинамiчнi та електричнi властивостi флюориту RuO₂ при високому тиску дослiджуються за допомогою теорiї функцiоналу густини з плоскохвильовим псевдопотенцiалом. Оптимiзованi параметри гратки, пружнi сталi, об’ємний модуль i модуль зсуву узгоджуються з iншими теоретичними значеннями. Фазовий перехiд з модифiкованого флюориту до флюориту є при 88 GPa (наближення локальної густини, LDA), чи при 115.5 GPa (узагальнене градiєнтне наближення, GGA). Також дослiджено модуль Юнга i коефiцiєнти Ламе при високих тисках. Структура є стабiльною для тискiв до 120 GPa, якщо обчислювати пружнi сталi. Крiм того, дослiджено термодинамiчнi властивостi, включаючи температуру Дебая, теплоємнiсть, коефiцiєнт теплового розширення, параметр Грюнайзена i коефiцiєнт Пуассона. В електроннiй структурi флюориту RuO₂ знайдено малу зонну щiлину i ширина зони зростає iз тиском. Також, представленi механiчнi та електроннi властивостi демонструють, що природа зв’язування є комбiнацiєю ковалентного, iонного i металiчного вкладiв.