DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1998
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40465710
تاريخ النشر: 2025-06-06
المؤلف: Liangrui Wei وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء حسابات من البداية باستخدام حزمة محاكاة فيينا (VASP) للتحقيق في نظام Fe-Ni. تم نمذجة تفاعلات الإلكترون والأيون باستخدام طريقة موجة معززة بالمشاريع (PAW)، بينما تم تقريبه طاقة التبادل والتفاعل باستخدام تقريب التدرج العام (GGA) في شكل بيردو-بورك-إرنزرهوف (PBE). تم وصف الإنتروبيا الإلكترونية بواسطة دالة ميرمين، مع الحفاظ على درجة الحرارة الإلكترونية مساوية لدرجة الحرارة الأيونية. تم استخدام مجموعتين من إمكانيات PAW-PBE لمحاكاة الديناميكا الجزيئية من البداية (AIMD) ومحاكاة مونت كارلو (MC)، مع تكوينات محددة لـ Fe و Ni لتعزيز دقة حسابات نظرية الكثافة (DFT).
استخدمت المحاكاة خلايا فائقة بأحجام مختلفة لمراحل مختلفة واستخدمت شبكة نقاط ك-مونكهورست-باك كثيفة لضمان دقة عالية في DFT. سهل خوارزمية تبديل MC استكشاف تكوينات الخلط في المراحل الصلبة، مع تحديد خوارزمية ميتروبوليس احتمال قبول تبديلات الذرات. حسنت الطريقة الهجينة MC+AIMD بشكل كبير عملية التوازن وتنوع التكوينات. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل الديناميكا الحرارية للنظام الثنائي لبناء مخطط الطور، باستخدام نموذج حل منتظم لأخذ في الاعتبار إنثالبي الخلط غير المثالي. تم التعبير عن الطاقة الحرة لجبيس للخلط من حيث الإنثالبي والإنتروبيا، وتم بناء مخطط الطور باستخدام طريقة CALPHAD، مع ملاءمة بيانات الطاقة الحرة لجبيس مع تعبير ريدليش-كيستر لتمثيل الخلط متعدد الأطوار بدقة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجية المستخدمة لتقليل الطاقة الحرة متعددة الأطوار، والتي تضمنت استخدام معلمات ملائمة يشار إليها بـ \( L \) و \( . \). تم تنفيذ عملية التقليل من خلال حساب القبة المحدبة، وهي خطوة حاسمة في تحديد الأطوار المستقرة للنظام قيد الدراسة. تم تسهيل تنفيذ هذا النهج من خلال برنامج Pycalphad، المعروف بقدراته في الديناميكا الحرارية الحاسوبية. يسمح هذه الطريقة بتمثيل أكثر دقة لتوازن الأطوار، مما يعزز موثوقية النتائج المقدمة في البحث.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1998
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40465710
Publication Date: 2025-06-06
Author(s): Liangrui Wei et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Methods
In this study, ab initio calculations were conducted using the Vienna ab initio simulation package (VASP) to investigate the Fe-Ni system. The electron-ion interactions were modeled with the Projector Augmented-Wave (PAW) method, while the exchange-correlation energy was approximated using the Generalized Gradient Approximation (GGA) in the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) form. The electronic entropy was described by the Mermin functional, maintaining the electronic temperature equal to the ionic temperature. Two sets of PAW-PBE potentials were utilized for ab initio molecular dynamics (AIMD) and Monte Carlo (MC) simulations, with specific configurations for Fe and Ni to enhance the accuracy of density functional theory (DFT) calculations.
The simulations employed supercells of varying sizes for different phases and utilized a dense Monkhorst-Pack k-point mesh to ensure high DFT accuracy. The MC swap algorithm facilitated the exploration of mixing configurations in solid phases, with a Metropolis algorithm determining the acceptance probability of atom swaps. The hybrid MC+AIMD approach significantly improved the equilibration process and configurational diversity. Additionally, the thermodynamics of the binary system were analyzed for phase diagram construction, employing a regular solution model to account for non-ideal mixing enthalpy. The Gibbs free energy of mixing was expressed in terms of enthalpy and entropy, and the phase diagram was constructed using the CALPHAD method, fitting Gibbs free energy data with the Redlich-Kister expression to accurately represent the multi-phase mixture.
Discussion
In this section, the authors discuss the methodology employed for multi-phase free energy minimization, which involved the use of fitting parameters denoted as \( L \) and \( . \). The minimization process was executed by calculating the convex hull, a critical step in determining the stable phases of the system under study. The implementation of this approach was facilitated through the Pycalphad software, which is recognized for its capabilities in computational thermodynamics. This method allows for a more accurate representation of phase equilibria, thereby enhancing the reliability of the findings presented in the research.