[논문 리뷰] First-principles high-throughput screening of shape-memory alloys based on energetic, dynamical, and structural properties

Joohwi Lee, Yuji Ikeda외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 09.

Shape Memory Alloy Transformations참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 에너지적, 동적, 구조적 안정성을 기반으로 6,627종의 이이원 및 삼이원 합금에 대한 원자적 고속 걸러내기 스크리닝을 수행하여 새로운 형태 기억 합금(SMAs)을 규명한다. 이 중에서 187종의 합금이 걸러져 나왔으며, 이는 알려진 SMA 원소를 포함한 새로운 금속 조합을 포함하고 있으며, 추가 분석을 통해 상 분리 또는 전이에 대한 열역학적 안정성이 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 형태 기억 거동을 가질 잠재력이 있는 이이원 및 삼이원 합금 조합을 체계적으로 발견하기 위해.
• 후보 합금에서 마르텐사이트 상(2H 및 6M 구조)의 에너지적 및 동적 안정성을 평가하기 위해.
• 모체 상(B2, D03, L21)과 마르텐사이트 상 사이의 구조적 호환성을 평가하여 가능한 상전이를 보장하기 위해.
• 자료 기반으로서 Materials Project 데이터베이스(MPD)를 활용하여 상 분리 또는 원치 않는 상 전이 경향이 낮은 합금을 식별하기 위해.
• 기존의 전통적 원소를 초월하여 다양한 금속 조합을 포함시켜 SMA의 화학적 공간을 확장하기 위해.

제안 방법

• 형성 에너지 및 진동 분포 관계를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 활용한 원자적 계산을 수행하였다.
• 3,384종의 이이원 및 3,243종의 삼이원 스토이키오메트릭 합금을 마르텐사이트 상의 열역학적 및 동적 안정성에 대해 걸러내기 위해 스크리닝하였다.
• 격자 불일치 및 대칭성 고려를 통해 모체 상과 마르텐사이트 상 간의 구조적 호환성을 평가하였다.
• 다중 기준 필터링 프로토콜을 적용: 에너지 안정성(형성 에너지), 동적 안정성(진동 스펙트럼 갭), 구조적 호환성.
• 남은 후보자들을 Materials Project 데이터베이스(MPD)와 교차 검증하여 잠재적인 상 분리 또는 불안정성을 탐지하였다.
• 전체 조성 공간을 대상으로 고속 계산 워크플로우를 활용하여 자동화된 걸러내기 스크리닝을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 이이원 및 삼이원 합금 조성이 타당한 형태 기억 상을 형성할 수 있을 정도로 충분한 에너지적 및 동적 안정성을 보였는가?
• RQ2 모체 상과 마르텐사이트 상 간의 구조적 호환성이 형태 기억 거동의 가능성에 어떻게 영향을 미쳤는가?
• RQ3 기존의 전통적 SMA 성분(예: Ni, Ti, Co)을 초월한 새로운 금속 원소들이 안정적인 형태 기억 상을 형성할 수 있는가?
• RQ4 Materials Project 데이터베이스 자료에 의해 확인된 바, 걸러진 합금 중 상 분리 또는 전이에 대한 열역학적 안정성이 확인된 것은 무엇인가?
• RQ5 남은 후보자들은 어떤 결정 구조와 원소 조합에 분포되어 있는가?

주요 결과

• 총 187종의 합금이 다단계 걸러내기 과정을 통과하여 형태 기억 거동을 가질 잠재력이 있는 것으로 나타났다.
• 남은 후보자 중 일부는 Ni, Ti, Co와 같은 잘 알려진 SMA 원소를 포함하고 있으며, 다른 일부는 덜 흔한 금속 원소를 포함하고 있다.
• 자료 기반으로서 Materials Project 데이터베이스 자료와의 비교를 통해 남은 합금의 에너지 안정성이 확인되었으며, 상 분리 또는 전이 경향이 유의미하게 낮았다.
• 진동 분포 계산을 통해 남은 합금의 마르텐사이트 상에서 동적 안정성(허수 주파수 없음)이 확인되었다.
• 모체 상과 마르텐사이트 상 간의 구조적 호환성은 핵심 필터링 요소였으며, 큰 격자 불일치 또는 불일치하는 대칭성을 가진 합금들이 제거되었다.
• 스크리닝 과정에서 삼이원계에서 몇 가지 유망한 후보를 발견하여 기존의 이이원계를 초월한 잠재적 SMA의 화학적 공간이 확장되었다.