[論文レビュー] Ab initio study of structural, electronic, and thermal properties of Ir$_{1-x}$Rh$_{x}$ alloys

S. Ahmed, Muhammad Zafar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）および準調和近似を用いて、イリジウム・ルテニウム合金Ir₁₋ₓRhₓのab initio的考察を行い、リチウム濃度（x = 0.00–1.00）にわたる構造的・電子的・熱的性質を調査した。主な発見は、Ir₀.₅Rh₀.₅が最大の格子不整合を示し、これがエンタルピーと比熱の増大を引き起こすが、デバイ温度と振動エネルギーは低下するため、50 at.% ルテニウムにおける強い不規則性効果に起因する特異な熱力学的挙動を示している。

ABSTRACT

The structural, electronic, mechanical and thermal properties of Ir$_{1-x}$Rh$_{x}$ alloys were studied systematically using ab initio density functional theory at different concentrations (x = 0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00). A Special Quasirandom Structure method was used to make alloys having FCC structure with four atoms per unit cell. The ground state properties such as lattice constant and bulk modulus were calculated to find the equilibrium atomic position for stable alloys. The calculated ground state properties are in good agreement with the experimental and previously presented other theoretical data. The electronic band structure and density of states were calculated to study the electronic properties for these alloys at different concentrations. The electronic properties substantiate the metallic behavior of alloys. The first principle density functional perturbation theory as implemented in quasiharmonic approximation was used for the calculation of thermal properties. We have calculated the thermal properties such as Debye temperatures, vibration energy, entropy, constant-volume specific heat and internal energy. The ab initio linear-response method was used to calculate phonon densities of states.

研究の動機と目的

• リチウム濃度に応じて変化するIr₁₋ₓRhₓ合金の構造的・電子的・熱的性質を体系的に調査すること。
• 不規則なFCC合金を正確にDFTシミュレーションでモデル化するため、特殊準ランダム構造（SQS）法を用いること。
• 準調和近似を用いて、デバイ温度、比熱、エントロピー、内部エネルギーといった熱的性質を予測すること。
• バンド構造および状態密度を用いた電子的挙動の分析により、全組成比において金属的性質が確認されること。
• 実験的または先行理論的データが存在しないIr–Rh合金系の最初の理論的予測を提供すること。

提案手法

• 超ソフト擬ポテンシャルおよび局所密度近似（LDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）に基づくab initio計算。
• 4原子/単位格子の不規則FCC合金を、リチウム濃度（x = 0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00）に応じてモデル化するための特殊準ランダム構造（SQS）法の適用。
• フォノン状態密度および振動寄与を計算するために、第一原理線形応答法を用いた。
• 準調和近似（QHA）を用いて、温度依存の熱的性質（ヘルムホルツ自由エネルギー、内部エネルギー、定積比熱、エントロピー、デバイ温度）を計算した。
• 平衡原子配置を求めるために、全エネルギー最小化により基底状態の格子定数および体積モジュラスを決定した。
• 電子的挙動および金属的性質の分析のため、電子バンド構造および状態密度（DOS）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ir₁₋ₓRhₓ合金の格子定数および体積モジュラスはリチウム濃度にどのように依存し、ベーガード則からどの程度逸脱するか？
• RQ2 Ir₁₋ₓRhₓ合金における電子的バンド構造およびフェルミ準位の挙動はいかなる性質を示し、ルテニウムドーピングは電子的伝導度にどのように影響するか？
• RQ3 デバイ温度、比熱、エントロピー、内部エネルギーといった熱的性質は、温度およびリチウム濃度にどのように変化するか？
• RQ4 なぜIr₀.₅Rh₀.₅は他の組成と比較して、熱的および振動的性質において異常な挙動を示すのか？
• RQ5 x = 0.50における格子不整合は、合金の熱力学的および電子的応答にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• Ir₁₋ₓRhₓ合金の格子定数および体積モジュラスは、ルテニウム濃度の増加に伴い減少し、ベーガード則からわずかな逸脱を示した。
• 電子的バンド構造はフェルミ準位付近に重複する状態を示し、ルテニウム濃度の増加に伴いバンド重ね合わせが増大し、フェルミエネルギーが低下する傾向を示し、dバンドの混合強化および金属的伝導性の向上を示唆した。
• フォノン状態密度はx = 0.50で最小値を示し、この組成で最大の格子不規則性および非調和性が生じていることを示した。
• デバイ温度は低温域（0–20 K）でピークを示し、その後急激に低下し、高温域で安定化する。x = 0.50で最小値が観測された。
• エントロピーおよび定積比熱は温度上昇に伴い増大し、飽和に達するが、x = 0.50で最大値を示した。これは格子不整合に起因するが、より高いルテニウム濃度では値が低下する。
• 振動エネルギーは低温域でほぼ一定であり、温度上昇に伴い減少するが、x = 0.50で最小値を示した。一方、内部エネルギーはルテニウム濃度の増加に伴いわずかに増加するが、x = 0.50で低下のピークを示した。