Phase diagram calculations for the ZnSe-BeSe system by first-principles based thermodynamic Monte Carlo integration

• Autorzy: Woźniakowski A. , Deniszczyk J.

Warianty tytułu

Obliczenia z pierwszych zasad diagramu fazowego układu ZnSe–BeSe metodą całkowania termodynamicznego Monte Carlo

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The T-x phase diagram of Zn1-xBexSe alloy is calculated by means of ab initio method supplemented with the lattice Ising-like model cluster expansion approach and the Monte Carlo thermodynamic computations. Presented results confirm the high quality of mapping of disordered alloy onto the lattice Hamiltonian. The calculated phase diagram shows the asymmetric miscibility gap with the upper critical solution temperature equal to 860 K (1020 K) when the lattice vibrations are included (excluded) in the free energy of the system. We have proved that below the room temperature the miscibility of ZnSe and BeSe phases is possible only in the narrow range of concentration near the x = 0 and 1. At elevated temperatures the two phases are more capable to be mixed over the wider concentration range on the Zn-rich side of phase diagram.

PL

W pracy przedstawiono rezultaty badań teoretycznych stabilności fazowej roztworu stałego Zn1-xBexSe w zależności od temperatury i koncentracji składników. Diagram fazowy T-x wyznaczono na podstawie potencjału termodynamicznego wyliczonego metodą całkowania termodynamicznego Monte Carlo w ramach wielkiego rozkładu kanonicznego. W obliczeniach termodynamicznych wykorzystano Hamiltonian sieciowy w postaci tzw. rozwinięcia klastrowego (typu modelu Isinga). Współczynniki energetyczne rozwinięcia klastrowego wyznaczono drogą dopasowania Hamiltonianu sieciowego do wartości entalpii tworzenia wyliczonych kwantowymi metodami z pierwszych zasad dla 33 nadstruktur Zn1-xBexSe w całym zakresie koncentracji. W obliczeniach termodynamicznych uwzględniono również wkład do energii swobodnej pochodzący od drgań sieci, który wyznaczono dla 33 nadstruktur w ramach przybliżenia kwazi-harmonicznego. Uzyskany z obliczeń diagram fazowy T-x charakteryzuje się asymetryczną luką mieszalności. Obliczenia termodynamiczne oparte wyłącznie na części konfiguracyjnej energii swobodnej dają diagram fazowy z górnym punktem krytycznym: xC = 0,69 i TC = 1020 K. Uwzględnienie drgań sieci daje obniżoną temperaturę krytyczną TC = 860 K (xC = 0,65). Prezentowane badania wykazały, że poniżej temperatury pokojowej mieszalność faz ZnSe i BeSe jest możliwa wyłącznie w wąskich zakresach koncentracji (x ≈ 0 oraz x ≈1). W podwyższonej temperaturze, 400 K < T < TC, mieszalność faz ZnSe i BeSe jest możliwa również w roztworach Zn1-xBexSe o wzbogaconej zawartości cynku.

Słowa kluczowe

EN

clamping; groove rolling; FEM

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 351--356
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Woźniakowski A.

• Institute of Materials Science, University of Silesia, Bankowa 12, 40-007 Katowice, Poland

autor

Deniszczyk J.

• Institute of Materials Science, University of Silesia, Bankowa 12, 40-007 Katowice, Poland

Bibliografia

• Berghout, A., Zaoui, A., Hugel, J., Ferhat, M., 2007, Firstprinciples study of the energy-gap composition dependence of Zn1-xBexSe ternary alloys, Phys. Rev. B, 75, 205112-205121.
• Burton, B.P., van de Walle, A., Kattner, U., 2006, First principles phase diagram calculations for the wurtzitestructure systems AlN-GaN, GaN-InN, and AlN-InN, Journ. Appl. Phys., 100, 113528-113534.
• Garbulsky, G.D., Ceder, G., 1995, Linear-programming method for obtaining effective cluster interactions in alloys from total-energy calculations: Application to the fcc Pd-V system, Phys. Rev. B, 51, 67-72.
• Giannozzi, P., de Gironcoli, S., Pavone, P., Baroni, S., 1991, Ab initio calculation of phonon dispersions in semiconductors, Phys. Rev. B, 43, 7231-7242.
• Karzel, H., Potzel, W., Köfferlein, M., Schiessl, W., Steiner, M., Hiller, U., Kalvius, G.M., Mitchell, D.W., Das, T.P., Blaha, P., Schwarz, K., Pasternak, M.P., 1996, Lattice dynamics and hyperfine interactions in ZnO and ZnSe at high external pressures, Phys. Rev. B, 53, 11425-11438.
• Kresse, G., Hafner, J., 1993, Ab initio molecular dynamics for liquid metals, Phys. Rev., B 47, 558-561.
• Kresse, G., Hafner, J., 1994, Ab initio molecular simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium, Phys. Rev. B, 49, 14251-14269.
• Kresse, G., Furthmüller, J., 1996a, Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set, Comput. Mater. Sci., 6, 15-50.
• Kresse, G., Furthmüller, J., 1996b, Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a planewave basis set, Phys. Rev. B, 54, 11169-11186.
• Liu, J.Z., Gosh, G., van de Walle, A., Asta, M., 2007, Transferable force-constant modeling of vibrational thermodynamic properties in fcc-baased Al-TM (TM = Ti, Zr, Hf) alloys, Phys. Rev. B, 75, 104117-15.
• Luo, H., Ghandehari, K., Greene, R.G., Ruoff, A.L., Trail, S.S., DiSalvo, F.J., 1995, Phase transformation of BeSe and BeTe to the NiAs structure at high pressure, Phys. Rev. B, 52, 7058-7064.
• Ozolinš, V., Wolverton, C., Zunger, A., 1998, Cu-Au, Ag-Au, Cu-Ag and Ni-Au intermetallics: First-principles study of temperature-composition phase diagram and structures, Phys. Rev. B, 57, 6427-64443.
• Pagès, O., Postnikov, A.V., Chafi, A., Bormann, D., Simon, P., Glas, F., Firszt, F., Paszkowicz, W., Tournie, E., 2010, Non-random Be-to-Zn substitution in ZnBeSe alloys: Raman scattering and ab initio calculations, Eur. Phys. J. B, 73, 461-469.
• Parlinski, K., Li Z.Q., Kawazoe, Y., 1997, First-principle determination of the soft mode in cubic ZrO_2, Phys.Rev.Lett., 78, 4063-4066
• Plazaola, F., Flyktman, J., Saarinen, K., Dobrzynski, L., Firszt, F., Legowski, S., Meczynska, H., Paszkowicz, W., Reniewicz, H., 2003, Defect characterization of ZnBeSe solid solutions by means of positron annihilation and photoluminescence techniques, J. Appl. Phys., 94, 1647-1653.
• Sanchez, J.M., Ducastelle, F., Gratias, D., 1984, Generalized cluster description of multicomponent systems, Physica A, 128, 334-350.
• Vanderbilt, D., 1990, Soft-selfconsistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism, Phys. Rev. B, 41, 7892-7895.
• van der Ven, A., Aydinol, M.K., Ceder, G., Kresse, G., Hafner, J., 1998, First-principles investigation of phase stability in LixCoO2, Phys. Rev. B, 58, 2975-2987.
• van de Walle, A., Ceder, G., 2002a, Automating firstprinciples phase diagram calculations, J. Phase Equilib., 23, 348-359.
• van de Walle, A., Asta, M., Ceder, G., 2002, The alloy theoretic automated toolkit: A user guide, Calphad, 26, 539-553.
• van de Walle, A., Asta, M., 2002, Self-driven lattice-model Monte Carlo simulations of alloy thermodynamic, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 10, 521-538.
• van de Walle, A., Ceder, G., 2002b, The effect of lattice vibrations on substitutional alloy thermodynamics, Rev. Mod. Phys., 74, 11-45.
• Vèrié, C., 1997, Expected pronounced strengthening of II-VI lattices with beryllium chalcogenides, Mater. Sci. Eng. B, 43, 60-64.