基于第一性原理的Fe相稳定性：原子自旋动力学与从头算分子动力学模拟及热力学积分耦合
材料科学
2023-01-18 v2 统计力学
摘要
在材料中从第一性原理计算自由能是一项艰巨的任务，它能够高精度地预测相稳定性；在磁性材料中，由于电子、磁和振动自由度之间的相互作用，这些计算变得复杂。在本工作中，我们展示了利用从头算方法和热力学积分计算磁性系统相稳定性的可行性与精度，通过耦合的原子自旋动力学-从头算分子动力学（ASD-AIMD）模拟[Stockem et al., PRL 121, 125902 (2018)]对磁和振动相空间进行采样，其中能量和原子间力由密度泛函理论（DFT）计算。我们采用该方法计算了Fe在环境压力下从 800 K 到 1800 K 的相稳定性。通过在ASD-AIMD的DFT级能量上进行关于温度的热力学积分，计算了零压力下fcc和bcc Fe的吉布斯自由能差随温度的函数，其中参考自由能差是在远高于磁转变温度的温度下，利用无序局部矩（DLM）-AIMD模拟对应力-应变变量进行热力学积分在顺磁状态下计算得到的。我们展示了bcc Fe的磁有序温度对 到 结构转变温度的重要性，而 到 的转变在不依赖交换相互作用的情况下也能很好地重现。两结构间的吉布斯自由能差与CALPHAD估计值相差在 5 meV/atom 以内，且两个转变温度均在 150 K 范围内重现。本工作为以 1 meV/atom 量级的精度从第一性原理计算磁性材料的自由能铺平了道路。
引用
@article{arxiv.2210.14718,
title = {Phase stability of Fe from first-principles: atomistic spin dynamics coupled with ab initio molecular dynamics simulations and thermodynamic integration},
author = {Davide Gambino and Johan Klarbring and Björn Alling},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.14718},
year = {2023}
}