[论文解读] Predicted martensitic and quantified metamagnetic transformations in FeRh

Nikolai A. Zarkevich, D. D. Johnson|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Machine Learning in Materials Science被引用 2

一句话总结

本研究开发并验证了一种可靠的方法，用于计算FeRh中相变附近晶格熵，FeRh是多卡效应的模型材料。通过校正标准声子方法在非谐效应下的不准确性，该方法预测马氏体相变温度为346 ± 12 K，接近实验值353 ± 1 K，并准确量化了等温与等熵卡效应响应，从而实现对卡效应材料的高通量筛选。

ABSTRACT

Reversible, diffusionless, first-order solid-solid phase transitions accompanied by caloric effects are critical for applications in the solid-state cooling and heat-pumping devices. Accelerated discovery of caloric materials requires reliable but faster estimators for predictions and high-throughput screening of system-specific dominant caloric contributions. We assess reliability of the computational methods that provide thermodynamic properties in relevant solid phases at or near a phase transition. We test the methods using the well-studied B2 FeRh alloy as a fruit fly in such a materials genome discovery, as it exhibits a metamagnetic transition which generates multicaloric (magneto-, elasto-, and baro-caloric) responses. For lattice entropy contributions, we find that the commonly-used linear-response and small-displacement phonon methods are invalid near instabilities that arise from the anharmonicity of atomic potentials, and we offer a more reliable and precise method for calculating lattice entropy at a fixed temperature. Then, we apply a set of reliable methods and estimators to the metamagnetic transition in FeRh (predicted $346 \pm 12$ K, observed $353 \pm 1$ K) and calculate the associated caloric properties, such as isothermal entropy and isentropic temperature changes.

研究动机与目标

• 评估计算方法在固体一阶相变附近热力学性质预测的可靠性。
• 识别标准声子计算方法（线性响应与小位移法）在晶格不稳定性区域因非谐性导致的缺陷。
• 开发一种更精确的方法，用于在强非谐效应体系中固定温度下计算晶格熵。
• 将经过验证的方法应用于FeRh，预测并量化其在马氏体磁性相变附近的多卡效应响应（磁卡、弹性卡、压卡效应）。
• 通过可靠、高通量的主导卡效应贡献估算器，实现卡效应材料的加速发现。

提出的方法

• 采用改进的声子计算方法，考虑非谐效应，避免在不稳定性附近线性响应与小位移方法的失效。
• 使用固定温度下的晶格熵计算方法，提高在晶格软化与结构不稳定区域的准确性。
• 采用含杂化泛函的密度泛函理论（DFT）模拟B2结构FeRh中的电子结构与磁相互作用。
• 利用热力学积分与相变前后吉布斯自由能差，计算等温熵变与等熵温度变。
• 通过与实验相变温度（353 ± 1 K）对比验证预测结果，评估方法的准确性。
• 以FeRh体系为基准，测试该方法在卡效应材料高通量筛选中的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准线性响应与小位移声子方法在FeRh一阶相变附近计算晶格熵的可靠性如何？
• RQ2 通过更精确的声子方法预测的FeRh马氏体相变真实转变温度是多少？
• RQ3 FeRh中马氏体磁性相变相关的定量磁卡、弹性卡与压卡效应响应是什么？
• RQ4 所提出的方法能否通过可靠估算主导卡效应贡献，实现对卡效应材料的精确、高通量筛选？
• RQ5 原子势中的非谐性如何影响传统基于声子的热力学估算器的有效性？

主要发现

• 标准线性响应与小位移声子方法在FeRh晶格不稳定性附近因非谐性而失效，导致熵预测不准确。
• 提出并验证了一种更可靠的固定温度晶格熵计算新方法，纠正了传统方法中的系统性误差。
• 预测的FeRh马氏体相变温度为346 ± 12 K，与实验值353 ± 1 K高度一致。
• 本研究量化了与马氏体磁性相变相关的显著等温熵变与等熵温度变，证实了强烈的多卡效应响应。
• 经过验证的计算框架可实现对卡效应性质的准确估算，支持其在高通量材料发现中的应用。
• FeRh体系被证实是测试与校准多卡效应材料计算方法的稳健基准。