[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究采用从头算计算方法，研究了铜基化合物中二维褶皱蜂窝（BHC）结构与三维晶体结构之间的亚稳态关系。结果表明，BHC结构的动力学稳定性意味着Bh和L11三维结构的稳定性，而B2与L10结构之间则存在相反的不稳定性，类似于元素金属中的体心立方-面心立方（bcc-fcc）不稳定性。

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.

研究动机与目标

• 研究铜基化合物中二维褶皱蜂窝（BHC）结构与其三维对应结构之间的动力学稳定性关系。
• 确定二维BHC结构是否可作为Bh和L11等稳定三维相的构建单元。
• 探索B2与L10结构之间的亚稳态关系，该关系与元素金属中的bcc-fcc不稳定性类似。
• 绘制沿四方和三角形畸变路径的总能曲线，以可视化稳定性趋势。

提出的方法

• 采用Quantum ESPRESSO软件包，基于PBE泛函和规范守恒赝势，执行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 通过检查布里渊区内是否存在虚频来计算声子态密度（DOS），以评估动力学稳定性。
• 通过四方和三角形Bain路径模拟结构转变，追踪从B2到L10以及从B2经B1到L11的畸变过程中的能量变化。
• 计算了所有结构（BHC、Bh、L11、BSQ、B2和L10）的生成能和晶格参数。
• 分析聚焦于包含金属元素X的CuX化合物，包括Li、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Zn、Al等。
• 研究采用LDA+U方法，并在相关情况下通过RPA和SCALED泛函验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 若CuX在BHC结构中具有动力学稳定性，则其在Bh和L11三维结构中是否也具有动力学稳定性？
• RQ2 在CuX中，B2与L10结构之间是否存在与元素金属中观察到的类似的一致性亚稳态关系？
• RQ3 BHC结构是否可被视为金属间化合物中三维有序相的可行构建单元？
• RQ4 沿四方和三角形路径的总能曲线如何反映B2、L10与L11结构之间的稳定性趋势？
• RQ5 为何在CuX中观察到B2–L10的不稳定性关系，其与元素金属行为相比有何异同？

主要发现

• 若CuX在BHC结构中具有动力学稳定性，则其在Bh和L11结构中也具有动力学稳定性，证实BHC是稳定的二维构建单元。
• 对于B2–L10对，若B2具有动力学稳定性，则L10不稳定，反之亦然，其行为与元素金属中的体心立方-面心立方（bcc–fcc）不稳定性类似。
• 通过沿四方和三角形路径的能量曲线可视化了B2–L10对的不稳定性，显示一相存在局部能量极小值，而另一相为鞍点。
• BHC结构在X = Li、W、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Zn和Al的CuX中均稳定，该稳定性可预测Bh和L11结构的稳定性。
• 对于大多数CuX化合物，BSQ结构通常不稳定，导致无法建立二维BSQ与三维四方结构之间的清晰亚稳态关系。
• 研究证实，BHC–Bh–L11的稳定性链在多个CuX体系中均具有鲁棒性，而B2–L10关系则呈互补的互逆不稳定性。