近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部在銅基過渡金屬合金的形成能研究方面取得新進(jìn)展。研究人員利用第一性原理和團(tuán)簇展開方法系統(tǒng)地研究了20種銅基過渡金屬合金的形成能以及Cu-Au合金的基態(tài)結(jié)構(gòu)，闡釋了基于廣義梯度近似的密度泛函理論錯誤預(yù)測形成能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的物理機(jī)制，為研究其他過渡金屬合金、相圖和高通量計算提供了新思路。相關(guān)結(jié)果以“Central role of d-band energy level in Cu-based intermetallic alloys”為題發(fā)表在npj Computational Materials (npj Comput. Mater. 10, 71 (2024))上。

銅基過渡金屬(Cu-TMs)是實驗研究最多的金屬間化合物之一，在催化、電子元件和基礎(chǔ)冶金等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。其中，Cu-Au體系是研究合金的相圖、電子結(jié)構(gòu)、有序-無序轉(zhuǎn)變等性質(zhì)的典型范例。然而，使用基于廣義梯度近似的密度泛函理論(DFT-GGA)卻不能準(zhǔn)確模擬Cu-Au合金的性質(zhì)：(1) GGA預(yù)測的形成能與實驗測量值之間存在較大誤差；(2) GGA錯誤地預(yù)測了富Au基態(tài)。該工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)這些差異也廣泛存在于其它Cu-TMs合金當(dāng)中，這嚴(yán)重阻礙了DFT-GGA在合金體系中的應(yīng)用。因此，闡明DFT-GGA錯誤預(yù)測Cu-TMs化合物熱力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)制并尋找正確模擬合金形成能等物性的方法具有重要意義。

為此，研究人員探究了7種有序合金的形成能，發(fā)現(xiàn)由Cu和含d 電子數(shù)較少的過渡金屬(Sc、Y、Ti、Zr)組成的合金，其形成能在GGA計算中會被高估；而由Cu和含d 電子數(shù)較多的金屬(Au、Cu、Pd)組成的合金，其形成能則被低估，這表明理論計算的形成能對d 帶能級分布極其敏感。進(jìn)一步研究表明，在過渡金屬(TM)單質(zhì)中，GGA可以準(zhǔn)確模擬出在費米能級處有d 電子貢獻(xiàn)的TM-d 帶的能量分布范圍，而不能正確給出d 帶分布較深的TM-d 帶的能量分布范圍。通過采用廣義梯度近似結(jié)合Hubbard U 修正(GGA+U )方法，將金屬的d 帶能級調(diào)控至實驗報道的能量區(qū)間（-6 eV 到 -2 eV），準(zhǔn)確地模擬了合金中Cu與Au原子間d 帶的相互作用，從而能夠準(zhǔn)確地獲得形成能與富Au基態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還深入研究了另外19種Cu-TMs合金的形成能，發(fā)現(xiàn)加U 修正能夠給出更接近于實驗值的結(jié)果。

該研究表明正確模擬Cu-3d 和TM-d 帶間的相互作用是準(zhǔn)確表征Cu-TM合金的形成能等性質(zhì)的關(guān)鍵，GGA+U 是一種高效調(diào)整TM-d 帶至正確的能量分布范圍的有效方法，在Cu-TMs體系中的修正為提升GGA在預(yù)測合金性質(zhì)方面的應(yīng)用提供了指導(dǎo)，如準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的形成能和有序-無序轉(zhuǎn)變的臨界溫度等。

固體所博士后趙靜為論文的第一作者，王賢龍研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-024-01257-y

圖. (a) 理論預(yù)測的形成能與實驗測量值之間的差異。其中紅色和藍(lán)色條帶分別表示GGA和GGA+U 預(yù)測的結(jié)果；(b) 使用GGA(綠色小球與線條)和GGA+U (藍(lán)色小球與線條)預(yù)測的Cu-Au體系的能量基態(tài)線。紅色小球表示320 K溫度下的實驗測量值；(c) GGA和GGA+U 計算的19種Cu-TM化合物的形成能。頂部被實色填充的餅圖代表了實驗測量的有序合金的形成能，而被網(wǎng)格填充的餅圖則表明其相應(yīng)的過渡金屬無法與銅形成有序結(jié)構(gòu)。