[論文レビュー] A structural modeling approach to the solid-solution materials

Fuyang Tian, De-Ye Lin+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

High Entropy Alloys Studies参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、類似原子環境（SAE）フレームワークを用いて、理想の無秩序状態や短距離秩序（SRO）からの配置的ずれを定量的に記述する、固体固溶体の構造モデリング手法を提案する。配置空間における最小化問題として定式化することで、SQSと比較され、CoCrFeMnNi、Ta-W、CoCrNi合金に対して密度汎関数理論計算を用いて検証された、複雑な固体固溶体の正確なモデリングが可能になる。

ABSTRACT

Solid solution is an important way to enhance the structural and functional performances of materials. In this work, we develop a structural modeling approach to solid solutions based on the similar atomic environment (SAE). We propose the similarity function associated with any type of atom cluster to describe quantitatively the configurational deviation from the desired solid solution structure that is fully disordered or contains short-range order (SRO). In this manner, the structural modeling for solid solution is transferred to a minimization problem in the configuration space. Moreover, we pay efforts to enhance the practicality and functionality of this approach. The approach and implementation are demonstrated by the cross-validations with the special quasi-random structure (SQS) method. We apply the SAE method to the typical quinary CoCrFeMnNi high-entropy alloy, continuous binary Ta-W alloy and ternary CoCrNi medium-entropy alloy with SRO as prototypes. In combination with ab initio calculations, we investigate the structural properties and compare the calculation results with experiments.

研究の動機と目的

• 固体固溶体の構造モデリングに、制御された配置的無秩序状態または短距離秩序（SRO）を有する体系的な手法を開発すること。
• 原子環境の類似性に基づく類似関数を用いて、理想の固体固溶体構造からの構造的ずれを定量的に記述すること。
• 高エントロピーおよび中エントロピー系を含む、複雑な多成分合金の実用的かつ正確な構造モデリングを可能にすること。
• 既存の手法（特殊準ランダム構造：SQS）と比較し、実験データとも照合して、本手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 固体固溶体における目的構造からの配置的ずれを定量化するため、類似原子環境（SAE）に基づく類似関数を導入する。
• 構造モデリング問題を、配置空間における類似関数の最小化問題として定式化し、望ましい無秩序状態またはSROを達成する。
• 代表的な系として、五元系のCoCrFeMnNi高エントロピー合金、連続的二元系のTa-W合金、SROを有する三元系CoCrNi中エントロピー合金に本手法を適用する。
• 第一原理計算を用いて構造的性質を評価し、実験データと照合して予測の妥当性を検証する。
• 結果の信頼性を確認するため、特殊準ランダム構造（SQS）手法と照合する。
• 複雑な固体固溶体における原子配置の体系的探索と最適化を、SAEフレームワークを活用して行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子環境の類似性を用いて、理想の固体固溶体構造からの配置的ずれをどのように定量的に記述できるか。
• RQ2 SAEに基づく最小化アプローチは、完全に無秩序な状態と短距離秩序を有する状態の両方を正確にモデリングできるか。
• RQ3 複雑な多成分合金の構造的性質予測において、SAE手法はSQS手法と比べてどのように差異を示すか。
• RQ4 SAE手法は、高エントロピーおよび中エントロピー合金において、実験的構造データをどの程度正確に再現できるか。

主な発見

• SAEに基づく類似関数は、固体固溶体における配置的ずれを効果的に定量化でき、高精度な構造モデリングを可能にする。
• 配置空間における最小化により、完全に無秩序な状態と短距離秩序を有する状態の両方を正確に再現できる。
• SQS手法による照合により、異なる合金系においてもSAEアプローチの信頼性と一貫性が確認された。
• SAEから導出した構造に基づく第一原理計算は、CoCrFeMnNi、Ta-W、CoCrNi合金において実験的構造的性質と良好に一致した。
• 本手法は、五元系高エントロピーおよび三元系中エントロピー合金を含む、複雑な多成分系に対しても実用的応用が可能であることが示された。
• SAEフレームワークにより、固体固溶体における安定な配置の体系的探索が可能となり、予測的材料設計を支援する。