npj: 多組分材料的相預測—多單元蒙特卡洛

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預測多組分系統的穩定相是理解合金熱力學的關鍵步驟。基於密度泛函理論(DFT)的方法,以及諸如聚類擴展方法等用於相位預測的系統方法,可用性不斷提高,已經在少組分系統的建模中取得瞭進展。然而,由於問題的復雜性,獲得用於三元組成及更多組成的相圖,仍具有挑戰性且通常是不可執行的任務。除瞭預測潛在的穩定相之外,另一個挑戰是相的共存和相分率的預測。

來自美國俄亥俄州立大學材料科學與工程系的Maryam Ghazisaeidi教授領導的團隊介紹瞭一種新的多單元蒙特卡洛(MC)2算法,或(MC)2方法,來預測多組分合金中的穩定相和相分率,該算法消除瞭材料固定尺寸的限制,同時受益於多單元MC的概念。為每個單元分配摩爾比,以控制其在整個系統中的百分比。摩爾比由“杠桿規則”確定,因此系統的總組成是恒定的。與Gibbs集成MC模擬中的原子轉移想法相反,此處通過更改一個或多個單元中原子的種類來實現隨機原子的轉移,作者稱之為“翻轉”運動。

翻轉會改變每個單元中的成分,從而改變整個摩爾比集,這等效於一組隨機原子在單元之間的轉移。雖然局部翻轉已經足夠,但偶爾進行的全局翻轉可以加速收斂,而不會失去通用性。正如作者證明的那樣,每個收斂的(MC)2運行都針對模擬的溫度和成分標識的混溶區域或相關相界。(MC)2中的算法利用瞭多個單元的並行計算優勢,並提供瞭識別相關相位和相位邊界的獨特功能,無需任何可能的相位先驗知識。該算法能夠預測化學復雜的晶體系統,既可預測多個相,又可預測單個相中不同相的組成和結構。作者認為,這是第一種也是唯一一種可以僅從一個初始成分捕獲相界而無需內插中間成分的方法。

該文近期發表於npj Computational Materials 5: 120 (2019),英文標題與摘要如下,點擊https://www.nature.com/articles/s41524-019-0259-z可以自由獲取論文PDF。

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Multi-cell Monte Carlo method for phase prediction

Changning Niu, You Rao, Wolfgang Windl & Maryam Ghazisaeidi

We propose a Multi-Cell Monte Carlo algorithm, or (MC)2, for predicting stable phases in chemically complex crystalline systems. This algorithm takes advantage of multiple cells to represent possible phases, while eliminating the size and concentration restrictions in the previous counterparts.Free atomic transfer among cells is achieved via the application of the lever rule, where an assigned molar ratio virtually controls the percentage of each cell in the overall simulation, making (MC)2 the first successful algorithm for simulating phase coexistence in crystalline solids.During the application of this method, all energies are directly computed via density functional theory calculations. We test the method by successful prediction of the stable phases of known binary systems. We then apply the method to a quaternary high-entropy alloy. The method is particularly powerful in predicting stable phases of multicomponent systems, for which phase diagrams do not exist.

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