[論文レビュー] Interdependence of Magnetic and Chemical Short-Range Order in the CrCoNi Multi-Principal Element Alloy

Flynn Walsh, Robert O. Ritchie+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

High Entropy Alloys Studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CrCoNiハイエントロピー合金における原子配列が、同じスピンのCr-Cr対を最小化することで交換相互作用によって駆動されていると提案する。Co-CrおよびCr-Cr対の磁気的整列が顕著な寄与を示す。第一原理計算により、このメカニズムが組成にわたる異常な磁気的挙動を説明でき、多準拠元素合金における化学的短距離秩序と磁気的短距離秩序を結びつける。

ABSTRACT

The presence, nature, and impact of chemical short-range order in the multi-principal element alloy CrCoNi are all topics of current interest and debate. On the basis of first-principles calculations, we present a theory of exchange interaction-driven atomic ordering in this system centered on the elimination of like-spin Cr-Cr neighbors, with significant contributions from certain magnetically aligned Co-Cr and Cr-Cr atoms. Together, these effects can explain anomalous magnetic measurements across a range of compositions and provide implications for related high-entropy alloys.

研究の動機と目的

• CrCoNiマルチ準拠元素合金における化学的短距離秩序（SRO）に関する議論を解消すること。
• ハイエントロピー合金における磁気的秩序と化学的短距離秩序の相乗的相互作用を調査すること。
• CrCoNiにおいて、組成にわたって観察された異常な磁気的測定値を説明すること。
• 複雑な固溶体における交換相互作用と原子配列の関係を理論的枠組みとして確立すること。

提案手法

• 交換相互作用および生成エネルギーを計算するための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• スピン依存性原子対相関の分析により、磁気的整列効果を特定する。
• 異なるスピン状態におけるCr-Cr、Co-Cr、およびその他の遷移金属対相互作用の体系的評価。
• DFTから導出された有効相互作用パラメータを用いた短距離秩序のモデル化。
• 予測された磁気的応答と、組成にわたる実験的測定値との比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交換相互作用は、CrCoNiハイエントロピー合金における原子配列にどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁気的整列は、化学的短距離秩序を駆動する役割を果たすのか？
• RQ3 なぜCrCoNiにおいて、異なる組成にわたって異常な磁気的測定値が持続するのか？
• RQ4 Cr-Cr、Co-Cr、およびその他の遷移金属対は、全体の配列メカニズムにどのように寄与するか？
• RQ5 交換相互作用は、観察された磁気的秩序と化学的短距離秩序の相関関係をどの程度説明できるか？

主な発見

• 同じスピンのCr-Cr隣接原子の排除が、CrCoNiにおける原子配列の主な駆動力である。
• Co-CrおよびCr-Cr対の磁気的整列が、全体の交換駆動型配列メカニズムに顕著な寄与を示す。
• 磁気的秩序と化学的短距離秩序の相関関係が、さまざまな組成にわたる異常な磁気的測定値を説明する。
• 第一原理計算により、スピン依存性相互作用が短距離秩序構造の安定化に鍵を握ることが確認された。
• 本モデルは、CrCoNiおよび関連するハイエントロピー合金における磁気的異常と化学的短距離秩序の両者を統一的に説明する。