[论文解读] Chemical complexity in high entropy alloys: A pair-interaction perspective

Xianglin Liu, Jiaxin Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2019

High Entropy Alloys Studies参考文献 26被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于密度泛函理论（DFT）计算的成对相互作用模型，用于量化难熔高熵合金（HEAs）中元素-元素相互作用，能够准确预测配置能和本征能量涨落。该方法成功捕捉了添加V或Ti对强化作用的影响，预测的能量涨落与DFT数据的误差在10%以内，为合金设计和理论验证提供了稳健的框架。

ABSTRACT

The recently proposed pair-interaction model is applied to study a series of refractory high entropy alloys. The results demonstrate the simplicity, robustness, and high accuracy of this model in predicting the configuration energies of NbMoTaW, NbMoTaWV and NbMoTaWTi. The element-element pair interaction parameters obtained from the linear regression of first-principle data provide a new perspective to understand the strengthening mechanism in HEAs, as revealed by comparing the effects of adding vanadium and titanium. Using the pair-interaction model, an expression for the intrinsic energy fluctuation is derived, which provides guidance on both theoretical modeling and first principles calculation.

研究动机与目标

• 开发一种简化但准确的模型，用于预测含多种主元素的复杂高熵合金（HEAs）中的配置能。
• 量化元素-元素成对相互作用在强化机制中的作用，特别是在NbMoTaW及其变体等难熔HEAs中的作用。
• 推导由化学无序引起的本征能量涨落的理论表达式，以评估传统塑性理论的有效性。
• 提供一种实用框架，用于估算在第一性原理计算中实现所需能量精度所必需的最小超原胞尺寸。

提出的方法

• 有效哈密顿量表示为每个配位壳层中元素-元素成对相互作用（EPI）参数的总和，形式为 $ H(i) = \sum_{j\neq i,m} V_m^{A(i)B(j)} c_j + \text{const} $。
• 通过在多种超原胞尺寸的DFT计算能量上进行线性回归，获得EPI参数，以确保统计代表性。
• 总能量计算为 $ E = N \sum_{A\neq B,m} V_m^{AB} P_m^{AB} + \text{const} $，其中 $ P_m^{AB} $ 表示第m个壳层中AB对的比例。
• 利用广义伯努利分布和中心极限定理，推导出局域能量涨落的理论表达式，得到 $ \sigma(E_{\text{loc}})^2 = \sum_m \frac{1}{\sqrt{N_m}} \sigma_m^2 $。
• 通过将预测的能量涨落与在NbMoTaW、NbMoTaWV和NbMoTaWTi中直接拟合的DFT数据进行比较，对模型进行验证。
• 使用能量标准差平均值与超原胞尺寸的对数-对数图，提取标度行为并验证 $ 1/\sqrt{N} $ 依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 成对相互作用模型在多主元素难熔HEAs中预测配置能的准确性如何？
• RQ2 特定元素-元素成对相互作用（如添加V与Ti）对NbMoTaW基HEAs强化作用的贡献是什么？
• RQ3 能否从EPI参数推导出本征能量涨落的理论表达式，并与DFT数据进行验证？
• RQ4 能量涨落的大小如何影响传统塑性理论（如Peierls模型）的适用性？
• RQ5 基于EPI推导的涨落估计，实现第一性原理能量计算中给定精度所需的最小超原胞尺寸是多少？

主要发现

• 成对相互作用模型在预测NbMoTaW、NbMoTaWV和NbMoTaWTi的配置能方面表现出高精度，预测的能量涨落与DFT拟合值的误差在10%以内。
• NbMoTaW的局域能量标准差为0.0026 Ry，NbMoTaWV为0.0075 Ry，NbMoTaWTi为0.0042 Ry，表明NbMoTaWV中化学涨落更强。
• 能量涨落随超原胞尺寸的变化符合预期的 $ 1/\sqrt{N} $ 依赖关系，NbMoTaW和NbMoTaWV的斜率分别为-0.45和-0.48。
• EPI参数表明，添加V引起的化学相互作用强于Ti，与NbMoTaWV中更高的能量涨落和更强的强化潜力一致。
• 推导出的能量涨落表达式为估算第一性原理计算中实现最小统计噪声所必需的超原胞尺寸提供了预测工具。
• 该模型在建模复杂HEAs方面表现出稳健性和简洁性，为多组分体系提供了一种可行的替代簇展开方法。