[論文レビュー] Metastability relationship between two- and three-dimensional crystal structures: A case study of the Cu-based compounds

Shota Ono|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、銅系化合物における二次元（2D）ねじれヘキサゴナル構造（BHC）と三次元（3D）結晶構造の間の準安定状態関係を調査する。BHC構造における動的安定性は、BhおよびL11 3D構造の安定性を示唆するが、B2とL10構造の間には逆転した不安定性が存在し、元素金属におけるbcc-fcc不安定性と類似していることが示された。

ABSTRACT

Some of the three-dimensional (3D) crystal structures are constructed by stacking two-dimensional (2D) layers. It remains unclear whether this geometric concept is related to the stability of ordered compounds and whether this can be used to computational materials design. Here, using first principles calculations, we investigate the dynamical stability of copper-based compounds Cu$X$ (a metallic element $X$) in the B$_h$ and L1$_1$ structures constructed from the buckled honeycomb (BHC) structure and in the B2 and L1$_0$ structures constructed from the buckled square (BSQ) structure. We demonstrate that (i) if Cu$X$ in the BHC structure is dynamically stable, those in the B$_h$ and L1$_1$ structures are also stable. Although the interrelationship of the metastability between the BSQ and the 3D structures (B2 and L1$_0$) is not clear, we find that (ii) if Cu$X$ in the B2 (L1$_0$) structure is dynamically stable, that in the L1$_0$ (B2) is unstable, analogous to the metastability relationship between the bcc and the fcc structures in elemental metals. The total energy curves for Cu$X$ along the tetragonal and trigonal paths are also investigated.

研究の動機と目的

• 銅化合物（CuX）における2次元ねじれヘキサゴナル構造（BHC）とその3次元対応構造との間の動的安定性関係を調査すること。
• 2次元BHC構造が、BhおよびL11のような安定3次元相の構築単位として機能可能かどうかを特定すること。
• 元素金属におけるbcc-fcc不安定性に類似した、B2とL10構造間の準安定性関係を調査すること。
• テトラゴナルおよび三角形歪み経路に沿った全エネルギー曲線を描画し、安定性の傾向を可視化すること。

提案手法

• PBE汎関数およびノルム保存型擬ポテンシャルを用いたQuantum ESPRESSOパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• ブリュアンゾーン内に虚数振動数が存在するかを確認することで、動的安定性を評価するため、フォノン状態密度（DOS）を計算した。
• B2からL10、およびB2からL11（中間としてB1を経由）への構造的変化を、テトラゴナルおよび三角形バイン経路を用いてモデル化し、歪みに伴うエネルギー変化を追跡した。
• BHC、Bh、L11、BSQ、B2、L10の全構造について、生成エネルギーおよび格子定数を計算した。
• 金属的X元素（Li、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Zn、Alなど）を有するCuX化合物を対象とした。
• LDA+U手法を用い、必要に応じてRPAおよびSCALED汎関数を用いて結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CuX化合物において、2次元BHC構造が動的安定である場合、BhおよびL11構造に対しても同様に動的安定であると言えるか？
• RQ2 CuX化合物において、B2とL10構造の間には、元素金属と同様に一貫した準安定性関係が存在するか？
• RQ3 BHC構造は、インタメタリック化合物における3次元秩序相の構築単位として実用的と言えるか？
• RQ4 テトラゴナルおよび三角形経路に沿った全エネルギー曲線は、B2、L10、L11構造間の安定性傾向をどのように反映しているか？
• RQ5 なぜCuX化合物ではB2–L10不安定性関係が観察されるのか、またこれは元素金属の挙動とどのように比較できるか？

主な発見

• CuXがBHC構造で動的安定である場合、BhおよびL11構造に対しても同様に動的安定であることが確認され、BHCが安定な2次元構築単位であることが裏付けられた。
• B2–L10対において、B2が動的安定である場合、L10は不安定であり、逆も同様である。これは、元素金属におけるbcc–fcc不安定性と類似している。
• B2–L10対の不安定性は、テトラゴナルおよび三角形経路に沿ったエネルギー曲線を通じて可視化され、一方の相に局所的エネルギー極小点、他方の相にサドルポイントが存在することが示された。
• X = Li、W、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Zn、Alの場合、BHC構造は安定であり、この安定性はBhおよびL11構造の安定性を予測する。
• BSQ構造は、大多数のCuX化合物において一般に不安定であり、2次元BSQと3次元テトラゴナル構造の間の明確な準安定性関係を形成できない。
• 本研究では、BHC–Bh–L11の安定性連鎖が複数のCuX系において堅牢であることが確認された一方で、B2–L10関係は逆転し、相補的に不安定であることが判明した。