Inventário: Progresso na aplicação dos primeiros princípios na ciência dos materiais

O primeiro princípio é na verdade um termo filosófico proposto pelo antigo filósofo grego Aristóteles: há uma proposição básica em cada sistema, que não pode ser violada ou excluída. O primeiro princípio é na verdade um termo filosófico proposto pelo antigo filósofo grego Aristóteles: há uma proposição básica em cada sistema, que não pode ser violada ou apagada.

Figura 1 Aristóteles

No campo da ciência dos materiais, o primeiro princípio refere-se ao princípio da interação do núcleo atômico e do elétron e sua lei básica de movimento. Utilizando a mecânica quântica, a partir dos requisitos específicos, após uma série de aproximações, a equação de onda de Schrõdinger é resolvida diretamente para obter a estrutura eletrônica. Assim, as propriedades físicas e químicas do sistema são obtidas com precisão e o estado e as propriedades do sistema microscópico são previstos. No entanto, o processo de solução é muito difícil. Por esta razão, Born-Oppenheimer propôs uma aproximação adiabática, que é considerar todo o problema no movimento de elétrons e núcleos. Considerando o movimento do núcleo na posição instantânea, considerando o movimento do núcleo, o elétron não é considerado. A distribuição específica do espaço. Para sistemas de N elétrons, a solução ainda é muito difícil, então uma aproximação de um único elétron é proposta, ou seja, apenas um elétron é considerado, e os demais elétrons são tratados de forma semelhante a alguma forma de campo potencial, que é convertido em um único elétron. problema eletrônico é a aproximação do campo médio [1, 2].

O primeiro princípio é resolver a equação de Schrödinger que descreve a lei do movimento de partículas microscópicas por cálculo autoconsistente com base na aproximação adiabática e na aproximação de um único elétron. A aproximação de Hartree-Fock é um tipo de aproximação de campo médio que ignora a interação entre os elétrons e trata os elétrons como movimentos no campo potencial médio do campo potencial iônico e outros elétrons. A aproximação limita a precisão do cálculo. Em 1964, Hohenberg e Kohn propuseram a teoria do funcional da densidade, que expressa sutilmente o potencial relacionado à troca entre os elétrons como uma forma de funcional da densidade, de modo que as propriedades do material podem ser determinadas a partir da densidade eletrônica. Desde então, Kohn e Sham (Shen Lujiu) obtiveram a equação de um elétron na teoria do funcional da densidade, ou seja, a equação de Kohn-Sham (KS), o que torna a teoria do funcional da densidade praticamente aplicada [3, 4]. Este artigo resume o progresso mais recente da aplicação dos primeiros princípios nos seguintes aspectos:

A estrutura cristalina é a base para a compreensão das propriedades mais básicas dos materiais, especialmente por revelar a relação entre a microestrutura dos materiais e as propriedades intrínsecas de elasticidade, elétrons, fônons e termodinâmica.

Leineweber e T. Hickel et al. utilizou o método exaustivo para realizar o cálculo DFT sobre as possíveis estruturas de Fe4N e Fe4C, considerando o arranjo fcc dos átomos de Fe e a posição dos átomos de N/C nos octaedros, onde parte da estrutura pode passar por Bain. A distorção torna-se estável, e o átomo de C exibe uma sequência do tipo Zener em bcc, como mostrado na Fig. 2, e revela a diferença característica da tendência de orientação dos átomos intersticiais, que é consistente com a diferença de estrutura austenítica observada experimentalmente [5 ].

Figura 2 arranjo fct (tetragonal centrado na face) de dois átomos de Fe (azul)

O método de energia total de primeiros princípios baseado na onda plana do superpotencial é usado para estudar a estrutura da fase cristalina, e a estabilidade termodinâmica da microestrutura de diferentes ordens de empilhamento é obtida, de modo que a estrutura mais estável que possa existir é prevista para ser um novo design e desenvolvimento. Um importante meio de materiais.

Por exemplo, Zhilin Li, Chunyang Xia et al. conduziram um estudo de primeiro princípio sobre a estabilidade de fase de Cu2ZnSnS4, um material de camada absorvedora de células solares de filme fino, baseado na teoria do funcional da densidade (DFT), usando PBE sob aproximação de gradiente generalizado (GGA). Os parâmetros de rede e energia total do sistema de liga Cu-Zn-Sn-S foram calculados pelo potencial de correlação de troca, e o modelo de cálculo e energia de geração de possíveis fases na liga Cu-Zn-Sn-S foram estabelecidos. Os resultados são mostrados na Fig. 3 e Tabela 1. Como mostrado, este estudo fornece orientação para o projeto de ligas Cu-Zn-Sn-S para células solares compostas de filme fino. O modelo e o método de cálculo também podem ser estendidos para a previsão de estabilidade de fase de outros sistemas de ligas [6].

Fig.3 Modelo de estrutura de super-rede de 64 defeitos de substituição de ZnCu

Tabela 1 Estrutura de super-rede otimizada e resultados de cálculo da energia total

Para estruturas estáveis, o cálculo da distribuição de densidade eletrônica de valência dos materiais é importante para entender o grau de ligação e ionização entre os átomos.

Benkabou and H. Rached et al. used the first principle to calculate quaternary CoRhMnZ (Z = Al, Ga, Ge and Si) Heusler alloys (a class of intermetallic compounds, which can be described as X2YZ or XX0YZ, where X, X0 and Y Is a transition metal element, Z is a group III, IV or V element, generally contains non-ferromagnetic elements, but the compound exhibits ferromagnetic) electronic structure, calculated using the full potential linear affixed plane wave method (FLAPW) and GGA-PBE approximation. Figure 4 shows the results of state density calculations for the corresponding structures, showing that these compounds exhibit semi-metallic ferromagnets in a few states, CoRhMnGe and CoRhMnSi compounds and their magnetic moments are basically consistent with Slater-Pauling’s law, indicating their semi-metallic properties. High spin polarization, in addition to CoRhMnSi, these compounds are stable in the YI structure [7].

Fig. 3 Densidade total e densidade local de estados de CoRhMnZ (Z = Al, Ga, Ge e Si) estruturas estáveis

Canção et ai. usou o primeiro princípio para estudar a estrutura eletrônica do filme de TiN. Conforme mostrado na Figura 4, a banda foi simulada pelo programa Studio Studio (MS) e calculada a densidade total de estados (DOS), função dielétrica e absorção. E refletividade.

Os resultados mostram que a energia de Fermi (EF) passa pela banda de energia com distribuição de níveis de energia densa, e a densidade total de estados se cruza com EF, indicando que o TiN é determinado pelas propriedades eletrônicas do estado Ti-3d por ter propriedades metalóides [8 ].

Fig. 4 Estrutura da banda de energia do filme TiN (a), densidade total (b) e densidade local (c)

The elastic constant Cij is a basic parameter describing the mechanical properties of materials. It is closely related to basic solid phenomena, such as interatomic bonding, state equations and phonon spectra, as well as thermodynamic properties such as specific heat, thermal expansion, Debye temperature and Grüneisen parameters. Related. Theoretically, there are 21 independent elastic constants Cij, but the symmetry of the cubic crystal reduces this value to only 3 (C11, C12 and C44), and the shear modulus G, Young’s modulus E and Poisson are derived from the elastic constants. Ratio n, then estimate the Debye temperature from the average sound velocity Vm:

Onde H é a constante de Planck, KB é a constante de Boltzmann, Va é o volume atômico e Vm pode ser determinado pelas velocidades do som longitudinal e lateral vl e vt obtidas pelo módulo de cisalhamento G e o módulo de volume B na equação de Navier. .

Por exemplo, Shuo Huang et al. combinaram o primeiro princípio para determinar os parâmetros elásticos e a resistência à tração ideal da fase de solução sólida cúbica de corpo centrado de liga de alta entropia FeCrCoMnAlx (0,6≤≤1,5) na direção [001]. Os resultados são mostrados na Fig. 5. Dentro da faixa composicional considerada, a estrutura bcc apresentou menor energia do que os estados ferromagnéticos e paramagnéticos das estruturas fcc e hcp. Com base na temperatura teórica de Curie, espera-se que todas as ligas sejam ferromagnéticas à temperatura ambiente, e a resistência à tração ideal na direção [001] deve ser de 7,7 GPa a uma tensão máxima de cerca de 9%. A força pode ser aumentada diminuindo a concentração de Al. [9].

Fig.5 Constante elástica, temperatura de Debye e curva tensão-deformação da liga de alta entropia FeCrCoMnAlx

Recentemente, Yu Lu et al. usaram o metal de adição de brasagem composta Sn9Zn-1Al2O3-xCu para brasar a liga de alumínio 6061 e estudaram o efeito da adição de elemento Cu e partículas de Al2O3 no desempenho da brasagem. Com base na teoria do funcional da densidade (DFT) e GGA-PBE, os cálculos de primeiros princípios foram realizados na estrutura interfacial, energia interfacial, ângulo de contato e propriedades eletrônicas de Al2O3/Sn9Zn. Os cálculos mostram que Sn9Zn-1Al2O3-4.5Cu e Sn9Zn-1Al2O3-6Cu possuem uma estrutura estável, e os resultados correspondentes são mostrados nas Figuras 6 e 7 [10].

Figura 6. Planos de contorno com diferentes diferenças de densidade de carga para diferentes estruturas:（a）Sn9Zn—1Al2O3，（b）Sn9Zn—1Al2O3-4.5Cu

Figura 7 Densidade de estado localizada de diferentes estruturas:（a）Sn9Zn-1Al2O3, (b) Sn9Zn-1Al2O3-4.5Cu

Por exemplo, Kulwinder Kaur et al. usou a teoria do funcional da densidade (DFT) e a teoria da transmissão de Boltzmann para estudar as propriedades termoelétricas de alta temperatura do fcc HfRhSb. As Figuras 8 e 9 mostram a estrutura da banda de energia calculada e densidade de estados, bem como alguns parâmetros físicos. A teoria das características de transmissão começa com o cálculo da estrutura de banda, a teoria de transmissão de Boltzmann na banda rígida e a aproximação do tempo de relaxação constante (RTA). A aproximação de banda de desempenho rígido (RBA) é uma ferramenta eficaz para estudar a relação entre estrutura de banda e resposta termoelétrica [11].

Figura 8 (a) estrutura de banda de energia (b) densidade total do estado local (c) dispersão de fônons (d) DOS de fônons

Figura 9 Coeficiente de Seebeck, condutividade, condutividade térmica e eficiência termoelétrica ZT em função da temperatura

1.Heisenberg W. Reinterpretação teórica quântica de relações cinemáticas e mecânicas [J]. Z Phys, 1925, 33: 879

2. Schrodinger E, Quantisierung als eigenwertproblem I [J]. Ann der Phys, 1926, 9: 361

3.Hohenberg P, Kohn W. Gás de elétrons não homogêneo [J]. Phys Rev B, 1964, 136(3): 864

4.Kohn W, Sham L J. Equações auto-consistentes, incluindo efeitos de troca e correlação [J]. Phys Rev A, 1965, 140(4): 1133

5.Leineweber, T. Hickel, B. Azimi-Manavi, SB Maisel，Estruturas de cristal de Fe4C vs. Fe4N analisadas por cálculos DFT: superestruturas intersticiais baseadas em Fcc exploradas [J], Acta Materialia 140 (2017) 433-442

6. Zhilin Li, Chunyang Xia, Zhengping Zhang, Meiling Dou, Jing Ji, Ye Song, Jingjun Liu, Feng Wang，Estudo de primeiro princípio sobre a estabilidade de fase de kesterita Cu2ZnSnS4 para células solares de filme fino com composição fora estequiométrica [J]， Jornal de Ligas e Compostos 768 (2018) 644-651

7. Benkabou, H. Rached, A. Abdellaoui, D. Rached, R. Khenata, MH Elahmar, B. Abidri, N. Benkhettou, S. Bin-Omran，Estrutura eletrônica e propriedades magnéticas de ligas de Heusler quaternárias CoRhMnZ (Z = Al, Ga, Ge e Si) por meio de cálculos de primeiro princípio [J]，Journal of Alloys and Compounds 647 (2015) 276-286

8.Huijin Song, Peng Gu, Xinghua Zhu, Qiang Yan, Dingyu Yang，Estudo sobre a estrutura eletrônica e propriedades ópticas de filmes de TiN com base no primeiro princípio [J]，Physica B: Condensed Matter 545 (2018) 197–202

9.Shuo Huang, Xiaoqing Li, He Huang, Erik Holmstro€m, Levente Vitos, Desempenho mecânico de ligas de alta entropia FeCrCoMnAlx de primeiro princípio [J], Química de Materiais e Física 210 (2018) 37-42

10.Yu Lu, Le Ma, Shu-yong Li, Wei Zuo, Zhi-qiang Ji, Min Ding，Efeito da adição do elemento Cu no comportamento interfacial e propriedades mecânicas de Sn9Zn-1Al2O3 soldando ligas de alumínio 6061: Cálculos de primeiro princípio e pesquisa experimental [J]，Journal of Alloys and Compounds 765 (2018) 128-139

11.Kulwinder Kaur, Ranjan Kumar, DP Rai, Uma resposta termoelétrica promissora do composto HfRhSb meio Heusler em alta temperatura: Um primeiro estudo de princípio [J], Journal of Alloys and Compounds 763 (2018) 1018-1023