[論文レビュー] Multihyperuniform Long-Range Order in Medium-Entropy Alloys

Duyu Chen, Xinyu Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Thermal properties of materials被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、SiGeSn中エントロピー合金における多超均一長距離秩序（MHLRO）の強力な数値的証拠を提示する。ここで、全3要素の無限大波長組成フラクチュエーションが完全に抑制されている。MHLROは自然に短距離秩序を誘発し、低エネルギー状態をもたらし、電子バンドギャップが約0.50 eV増大し、ランダムまたはSQS構造と比較して優れた低温熱伝導率（1.53 W/m·K）を示す。これは、Vegardの法則に整合する理想混合行動を実現する。

ABSTRACT

We provide strong numerical evidence for a hidden multihyperuniform long-range order (MHLRO) in SiGeSn medium-entropy alloys (MEAs), in which the normalized infinite-wavelength composition fluctuations for all three atomic species are completely suppressed as in a perfect crystalline state. We show this MHLRO naturally leads to the emergence of short-range order (SRO) recently discovered in MEAs, which results in stable lower-energy states compared to alloy models with random or special quasi-random structures (SQSs) possessing no atomic SROs. The MHLRO MEAs approximately realize the Vegard's law, which offers a rule-of-mixture type predictions of the lattice constants and electronic band gap, and thus can be considered as an ideal mixing state. The MHLRO also directly gives rise to enhanced electronic band gaps and superior thermal transport properties at low temperatures compared to random structures and SQSs, which open up novel potential applications in optoelectronics and thermoelectrics. Our analysis of the SiGeSn system leads to the formulation of general organizing principles applicable in other medium- and high-entropy alloys (HEAs), and a highly efficient computational model for rendering realistic large-scale configurations of MEAs and HEAs.

研究の動機と目的

• 中エントロピー合金（MEAs）に観察された短距離秩序が、隠れた長距離秩序を示すかどうかを調査すること。
• そのような長距離秩序が、超均一性に類似した、大規模な組成フラクチュエーションを抑制するかどうかを特定すること。
• この秩序がMEAsにおける電子構造、熱輸送、エネルギー安定性に与える影響を評価すること。
• ランダムまたはSQS仮定を超える、大規模なMEAおよびHEA構造を現実的に生成する計算効率の高いモデルを開発すること。
• 他のMEAsおよび高エントロピー合金（HEAs）に一般化可能な組織的原則を確立すること。

提案手法

• 無限大波長組成フラクチュエーションの抑制を強制するため、確率的最適化フレームワークを用いてSiGeSn MEAの多超均一実現を数値的に生成する。
• エネルギーおよび構造的性質を計算するために、密度汎関数理論（DFT）およびStillinger-Weberポテンシャルを用いた古典的分子動力学（MD）を採用する。
• 静的構造因子S(k)および局所数の分散σ²_N(R)/N(R)を計算し、lim_{k→0} S(k) = 0およびlim_{R→∞} σ²_N(R)/N(R) = 0により超均一性を検証する。
• 多超均一構造、SQS構造、ランダム構造の間で、バンド構造、フォノン状態密度（PDOS）、熱伝導率を比較する。
• 径関数および配位数統計を用いて原子クラスタリングとSROを分析する。
• 純元素の加重平均と比較することで、Vegardの法則への適合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中エントロピー合金に短距離秩序が存在する場合、隠れた多超均一長距離秩序が存在するかどうか？
• RQ2 多超均一長距離秩序は、MEAsにおける全原子種にわたる組成フラクチュエーションをどの程度抑制するか？
• RQ3 MHLROは、ランダムまたはSQS構造と比較して、SiGeSn MEAの電子バンドギャップおよび熱伝導率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MHLROは、SROを示すMEAsの観察された安定性および低エネルギー状態を説明できるか？
• RQ5 MHLRO構造は、Vegardの法則が記述する理想混合行動をどの程度近似するか？

主な発見

• 多超均一SiGeSn MEAは、Γ点で直接バンドギャップが0.50 eVを示し、ランダム構造の0.28 eVおよびSQS構造の0.36 eVと比較して顕著に高い値を示す。
• MHLRO構造のバンドギャップは、純元素の平均値（0.59 eV）にほぼ一致しており、Vegardの法則への近似実現および理想混合の実現を示している。
• 低温熱伝導率は、多超均一構造で1.53 W/m·Kに達し、10 Kでランダム構造の0.87 W/m·Kを上回る。
• MHLRO系のフォノン状態密度には、約280 cm⁻¹付近にギャップ様の特徴が見られ、フォノン分配比が低下し、高温域での低熱伝導率に寄与している。
• MHLRO構造は、ランダムおよびSQS構造と比較して全エネルギーが低く、より高い熱力学的安定性を示している。
• 多超均一モデルは、大規模な組成フラクチュエーションを効果的に抑制し、最近の実験観測と整合するSROを生成した。