[論文レビュー] First-principles high-throughput screening of shape-memory alloys based on energetic, dynamical, and structural properties

Joohwi Lee, Yuji Ikeda+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2017

Shape Memory Alloy Transformations参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、エネルギー的・動的・構造的安定性を基準に、6,627種の二元および三元合金を第一原理的高スループットスクリーニングすることで、新たな形状記憶合金（SMA）の同定を試みた。その結果、187種の合金がスクリーニングに耐え抜いた。これらには既知のSMA元素を含むものや、新しい金属化合物を含むものも含まれており、さらなる解析により、相分離や相転移に対する熱力学的安定性が確認された。

ABSTRACT

First-principles-based materials screening is systematically performed to discover new combinations of chemical elements possibly making shape-memory alloys (SMAs). The B2, D03, and L21 crystal structures are considered as the parent phases, and the 2H and 6M structures are considered as the martensitic phases. 3,384 binary and 3,243 ternary alloys (6,627 in total) with stoichiometric composition ratios are investigated by the materials screening in terms of energetic and dynamical stabilities of the martensitic phases as well as structural compatibility between the parent and the martensitic phases. 187 alloys are found to survive after the screening. Some of the surviving alloys are constituted by the chemical elements already widely used in SMAs, but other various metallic elements are also found in the surviving alloys. The energetic stability of the surviving alloys is further analyzed by comparison with the data in Materials Project Database (MPD) to examine the alloys which may occur phase separation or transition.

研究の動機と目的

• 形状記憶行動を示す可能性を有する新たな二元および三元合金の組み合わせを体系的同定すること。
• 候補合金におけるmartensitic相（2Hおよび6M構造）のエネルギー的および動的安定性を評価すること。
• 母相（B2、D03、L21）とmartensitic相の間の構造的適合性を評価し、可能なかつての相転移を保証すること。
• Materials Project Databaseのデータを用いて、相分離や望ましくない相転移を示す傾向が低いかを同定すること。
• 従来のSMA成分（例：Ni、Ti、Co）にとどまらず、多様な金属組み合わせを含めることで、SMAの化学的空間を拡張すること。

提案手法

• 形成エネルギーおよびフォノン分散関係の第一原理計算に密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 3,384種の二元および3,243種の三元ストイキオメトリック合金を、martensitic相の熱力学的および動的安定性についてスクリーニングした。
• 格子不適合性および対称性の観点から、母相とmartensitic相の構造的適合性を評価した。
• エネルギー的安定性（形成エネルギー）、動的安定性（フォノンバンドギャップ）、構造的適合性の3つの基準を組み合わせたマルチ基準フィルタリングプロトコルを適用した。
• 生存候補をMaterials Project Database（MPD）と照合し、相分離や不安定性の可能性を検証した。
• 全組成空間にわたるスクリーニングを自動化するため、高スループットの計算ワークフローを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの二元および三元合金組成が、十分なエネルギー的および動的安定性を有し、実現可能な形状記憶相を形成できるか？
• RQ2 母相とmartensitic相の間の構造的適合性は、形状記憶行動の実現可能性にどのように影響するか？
• RQ3 従来のSMA成分（例：Ni、Ti、Co）とは異なる新しい金属元素が、安定した形状記憶相を形成できるか？
• RQ4 Materials Project Databaseのデータにより確認された場合、スクリーニングに耐えた合金のうち、相分離や相転移に対して熱力学的に安定しているものはどれか？
• RQ5 生存候補は、異なる結晶構造および元素の組み合わせの間でどのように分布しているか？

主な発見

• 全187種の合金が、段階的なスクリーニングプロセスに耐え抜き、形状記憶行動を示す可能性を示した。
• 生存候補の中には、Ni、Ti、Coといったよく知られたSMA元素を含むものもあれば、それ以外のあまり一般的でない金属元素を含むものもあった。
• Materials Project Databaseのデータとの比較により、生存候補のエネルギー的安定性が確認され、相分離や相転移への顕著な傾向は認められなかった。
• フォノン分散計算により、生存候補のmartensitic相に虚数周波数が存在せず、動的安定性が確認された。
• 母相とmartensitic相の構造的適合性は、重要なフィルタリング要因であり、大きな格子不適合性や不適合な対称性を示す合金は除外された。
• スクリーニングにより、三元系においても有望な候補が同定され、二元系を超えた潜在的SMAの化学的空間が拡張された。