[论文解读] Multihyperuniform Long-Range Order in Medium-Entropy Alloys

Duyu Chen, Xinyu Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Thermal properties of materials被引用 4

一句话总结

本文为SiGeSn中熵合金中多超均匀长程有序（MHLRO）提供了强有力的数值证据，其中所有三种元素的无限波长成分涨落均被完全抑制。MHLRO自然诱导短程有序，从而形成能量更低的态，电子带隙显著增大（约0.50 eV），且低温热导率（1.53 W/m·K）优于随机结构或SQS结构，表现出与Vegard定律一致的理想混合行为。

ABSTRACT

We provide strong numerical evidence for a hidden multihyperuniform long-range order (MHLRO) in SiGeSn medium-entropy alloys (MEAs), in which the normalized infinite-wavelength composition fluctuations for all three atomic species are completely suppressed as in a perfect crystalline state. We show this MHLRO naturally leads to the emergence of short-range order (SRO) recently discovered in MEAs, which results in stable lower-energy states compared to alloy models with random or special quasi-random structures (SQSs) possessing no atomic SROs. The MHLRO MEAs approximately realize the Vegard's law, which offers a rule-of-mixture type predictions of the lattice constants and electronic band gap, and thus can be considered as an ideal mixing state. The MHLRO also directly gives rise to enhanced electronic band gaps and superior thermal transport properties at low temperatures compared to random structures and SQSs, which open up novel potential applications in optoelectronics and thermoelectrics. Our analysis of the SiGeSn system leads to the formulation of general organizing principles applicable in other medium- and high-entropy alloys (HEAs), and a highly efficient computational model for rendering realistic large-scale configurations of MEAs and HEAs.

研究动机与目标

• 研究具有观测到的短程有序（SRO）的中熵合金（MEAs）是否也表现出隐藏的长程有序。
• 确定此类长程有序是否抑制大尺度成分涨落，类似于超均匀性。
• 评估该有序对MEAs中电子结构、热输运及能量稳定性的影响力。
• 开发一种计算高效的模型，用于生成超越随机或SQS假设的、真实的大尺度MEA与HEA构型。
• 建立适用于其他MEAs及高熵合金（HEAs）的一般性组织原则。

提出的方法

• 利用随机优化框架数值生成SiGeSn MEA的多超均匀实现，以强制抑制无限波长成分涨落。
• 采用密度泛函理论（DFT）和基于Stillinger-Weber势的经典分子动力学（MD）方法计算能量与结构性质。
• 通过计算静态结构因子S(k)及局部数密度方差σ²_N(R)/N(R)，验证超均匀性：lim_{k→0} S(k) = 0 与 lim_{R→∞} σ²_N(R)/N(R) = 0。
• 比较多超均匀、SQS与随机构型在能带结构、声子态密度（PDOS）及热导率方面的差异。
• 利用径向分布函数与配位数统计分析原子团簇与SRO。
• 通过比较晶格常数与带隙与纯元素加权平均值的对比，验证Vegard定律的符合性。

实验结果

研究问题

• RQ1 中熵合金中短程有序的存在是否意味着隐藏的多超均匀长程有序的存在？
• RQ2 多超均匀长程有序在多大程度上抑制了MEAs中所有原子种类的大尺度成分涨落？
• RQ3 与随机或SQS结构相比，MHLRO如何影响SiGeSn MEA的电子带隙与热导率？
• RQ4 MHLRO能否解释具有SRO的MEAs中观测到的稳定性和更低能量态？
• RQ5 MHLRO构型在多大程度上近似于Vegard定律所描述的理想混合行为？

主要发现

• 多超均匀SiGeSn MEA在Γ点表现出0.50 eV的直接带隙，显著高于随机结构的0.28 eV与SQS结构的0.36 eV。
• MHLRO结构的带隙接近纯元素平均值（0.59 eV），表明Vegard定律的近似实现与理想混合行为。
• 在10 K时，多超均匀结构的低温热导率达到1.53 W/m·K，超过随机结构的0.87 W/m·K。
• MHLRO体系的声子态密度在约280 cm⁻¹附近表现出类似带隙的特征，降低声子占据比，从而在高温下贡献于更低的热导率。
• 与随机和SQS结构相比，MHLRO构型的总能量更低，表明其具有更高的热力学稳定性。
• 多超均匀模型成功抑制了大尺度成分涨落，并生成与近期实验观测一致的SRO。