[論文レビュー] Ab initio Approaches to High Entropy Alloys: A Comparison of CPA, SQS, and Supercell Methods

Mariia Karabin, Wasim Raja Mondal+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

High Entropy Alloys Studies参考文献 45被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて、Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05高エントロピー合金の電子的性質をモデル化するため、ab initio手法—強いつながり近似（CPA）、特殊準ランダム構造（SQS）、および超胞（LSMS）—を比較した。修正されたCPAおよびSQS手法は、状態密度や格子定数といった基底状態性質について非常に類似した結果を示し、臨界温度が約9 Kの超伝導性を予測しているが、磁気的秩序の兆候は認められない。

ABSTRACT

We present a comparative study of different modeling approaches to the electronic properties of the $ extrm{Hf}_{0.05} extrm{Nb}_{0.05} extrm{Ta}_{0.8} extrm{Ti}_{0.05} extrm{Zr}_{0.05}$ high entropy alloy. Common to our modeling is the methodology to compute the one-particle Green's function in the framework of density functional theory. We demonstrate that the special quasi-random structures modeling and the supercell, i.e. the locally self-consistent multiple-scatering methods provide very similar results for the ground state properties such as the spectral function (density of states) and the equilibrium lattice parameter. To reconcile the multiple-scattering single-site coherent potential approximation with the real space supercell methods, we included the effect of screening of the net charges of the alloy components. Based on the analysis of the total energy and spectral functions computed within the density functional theory, we found no signature for the long-range or local magnetic moments formation in the $ extrm{Hf}_{0.05} extrm{Nb}_{0.05} extrm{Ta}_{0.8} extrm{Ti}_{0.05} extrm{Zr}_{0.05}$ high entropy alloy, instead we find possible superconductivity below $\sim 9$K.

研究の動機と目的

• 高エントロピー合金の電子構造をモデル化する際のCPA、SQS、および超胞手法の精度を評価・比較すること。
• CPAの均一な電荷分布仮定と不均一なDFT解との間に生じる電気的ポテンシャルの不一致を解消すること。
• Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05合金が磁気的不安定性を示すか、超伝導的性質を示すかを特定すること。
• 不規則系における超伝導臨界温度を推定するためのGorkov-Gaspari-Gyorffy式の信頼性を評価すること。

提案手法

• 1粒子グリーン関数を計算するために、Kohn-Sham形式を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いる。
• Kohn-Sham方程式を多重散乱理論を介して実空間で解くために、Korringa-Kohn-Rostoker（KKR）法を適用する。
• 原子種に特有のスクリーニング補正を施したCPAを実装し、ネット電荷効果を考慮して電気的整合性を向上させる。
• 周期性に起因するアーティファクトを最小限に抑えるために、大規模なランダム超胞計算にLSMS法を用いる。
• 短距離秩序が最小限に抑えられたランダム固溶体を模倣する代表的な不規則超胞を生成するために、SQS法を用いる。
• McMillanの式とGorkov-Gaspari-Gyorffy理論を用いて、電子-フォノン結合定数λおよび臨界温度Tcを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPA、SQS、および超胞手法は、Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05高エントロピー合金の基底状態電子構造を予測する上で、どのように比較されるか？
• RQ2 CPAにおいて原子種に特有のスクリーニングを無視した場合、全エネルギーおよびスペクトル関数の予測精度にどのような影響が生じるか？
• RQ3 Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05合金に長距離または局所的磁気モーメントが存在するか？
• RQ4 ab initio電子-フォノン結合計算に基づき、この合金の予測される超伝導臨界温度Tcはどの程度か？

主な発見

• 原子種に特有のスクリーニングを組み込んだ修正CPA手法は、状態密度および平衡格子定数について、SQSおよび大規模超胞（LSMS）手法と良好に一致する結果をもたらした。
• 全状態密度のフェルミエネルギー付近の値は、すべての手法で類似しており、電子構造の予測が一貫していることを示している。
• スピン極性DFT-LSDAまたはDFTに基づく不規則局所モーメント（DLM）計算において、長距離または局所的磁気モーメントの兆候は認められなかった。
• 電子-フォノン結合定数λは0.9として計算され、McMillanの式を用いて予測される超伝導臨界温度Tc ≈ 9 Kが得られた。
• 本研究では、Gorkov-Gaspari-Gyorffyアプローチが、類似した合金で以前に観察されたように、Tcを約2倍に過剰に推定する可能性があると示唆された。
• SQS手法は、超胞サイズが増大するに従い超胞結果に収束することが示され、HEAsにおける化学的不規則性をモデル化する上で信頼性が確認された。