[论文解读] Ab initio Approaches to High Entropy Alloys: A Comparison of CPA, SQS, and Supercell Methods

Mariia Karabin, Wasim Raja Mondal+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

High Entropy Alloys Studies参考文献 45被引用 31

一句话总结

本研究采用密度泛函理论，比较了用于建模 Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05 高熵合金电子性质的从头算方法——有效场近似（CPA）、特殊准随机结构（SQS）和超原胞（LSMS）方法。结果表明，经修正的 CPA 与 SQS 方法在基态性质（如态密度和晶格常数）方面结果高度一致，并预测该合金具有约 9 K 的超导转变温度，且无磁性有序的证据。

ABSTRACT

We present a comparative study of different modeling approaches to the electronic properties of the $ extrm{Hf}_{0.05} extrm{Nb}_{0.05} extrm{Ta}_{0.8} extrm{Ti}_{0.05} extrm{Zr}_{0.05}$ high entropy alloy. Common to our modeling is the methodology to compute the one-particle Green's function in the framework of density functional theory. We demonstrate that the special quasi-random structures modeling and the supercell, i.e. the locally self-consistent multiple-scatering methods provide very similar results for the ground state properties such as the spectral function (density of states) and the equilibrium lattice parameter. To reconcile the multiple-scattering single-site coherent potential approximation with the real space supercell methods, we included the effect of screening of the net charges of the alloy components. Based on the analysis of the total energy and spectral functions computed within the density functional theory, we found no signature for the long-range or local magnetic moments formation in the $ extrm{Hf}_{0.05} extrm{Nb}_{0.05} extrm{Ta}_{0.8} extrm{Ti}_{0.05} extrm{Zr}_{0.05}$ high entropy alloy, instead we find possible superconductivity below $\sim 9$K.

研究动机与目标

• 评估并比较 CPA、SQS 和超原胞方法在建模高熵合金电子结构方面的准确性。
• 解决 CPA 假设电荷分布均匀与 DFT 解中出现的非均匀静电势之间的不一致问题。
• 确定 Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05 合金是否表现出磁不稳定性或超导行为。
• 评估 Gorkov-Gaspari-Gyorffy 公式在无序系统中估算超导转变温度的可靠性。

提出的方法

• 采用含 Kohn-Sham 形式的密度泛函理论（DFT）计算单粒子格林函数。
• 应用 Korringa-Kohn-Rostoker（KKR）方法，通过多散射理论在实空间求解 Kohn-Sham 方程。
• 采用包含原子种类特异性屏蔽校正的 CPA 方法，以考虑净电荷效应并提高静电一致性。
• 使用 LSMS 方法进行大尺寸随机超原胞计算，以最小化周期性缺陷的影响。
• 采用 SQS 方法生成能模拟随机固溶体且短程有序度最低的代表性无序超原胞。
• 基于 McMillan 公式和 Gorkov-Gaspari-Gyorffy 理论估算电子-声子耦合常数 λ 和超导转变温度 Tc。

实验结果

研究问题

• RQ1 CPA、SQS 和超原胞方法在预测 Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05 高熵合金基态电子结构方面表现如何？
• RQ2 在 CPA 中忽略原子种类特异性屏蔽对总能量和谱函数预测精度有何影响？
• RQ3 Hf0.05Nb0.05Ta0.8Ti0.05Zr0.05 合金是否表现出长程或局域磁矩？
• RQ4 基于从头算电子-声子耦合计算，该合金的预测超导转变温度 Tc 是多少？

主要发现

• 包含原子种类特异性屏蔽校正的修正 CPA 方法，在态密度和平衡晶格常数方面与 SQS 方法及大尺寸超原胞（LSMS）方法结果高度一致。
• 所有方法在费米能级附近的总态密度相似，表明电子结构预测具有一致性。
• 在自旋极化 DFT-LSDA 或基于 DFT 的无序局域磁矩（DLM）计算中，未发现长程或局域磁矩的证据。
• 电子-声子耦合常数 λ 计算值为 0.9，利用 McMillan 公式预测的超导转变温度 Tc ≈ 9 K。
• 本研究认为，Gorkov-Gaspari-Gyorffy 方法可能使 Tc 高估约两倍，此结果与先前在类似合金中的观察一致。
• SQS 方法在超原胞尺寸增大时逐渐收敛至超原胞结果，证实其在建模 HEAs 中化学无序的可靠性。