npj: 固溶体的奇异点—具有有序化合物性能的无序固溶体学术资讯

来源：知社学术圈

当材料由两种及更多元素组成时，可能形成两类性质截然不同的材料类型，即合金或者化合物。在合金中，组分通常可以在较大范围内调控，而不改变晶格，而在化合物中，组分的调控范围很小。因此，相比化合物，合金在组分和性质调控上更有优势。然而凡事有利则有弊，合金由于原子无序占据，载流子发生局域化，导致输运性能恶化。

该研究通过计算预测了一种兼具固溶体和有序化合物特征的新奇固体相。来自美国可再生能源实验室（NREL）的团队基于综合利用多种计算模型，即固溶体模型、蒙特卡洛模拟和第一性原理，针对双亚晶格混合半导体合金(ZnSnN2)1-x(ZnO)2x的相结构开展了研究。该体系可以看成是由O和N四面体组合而成。他们首先提出了一种用于描述短程有序的参量，基于该参量构建了描述该化合物形成焓的经验表达式。进而基于该能量表达式开展蒙特卡洛模拟，由此获得所有固溶体组分（0<x<0.5）能量最低的结构，并开展密度泛函计算精确计算这些结构的能量。有趣的是，他们发现x=0.25成为所谓“幻数”组分。在该组分材料中，混合焓随组分变化的曲线出现明显奇异点。分析表明，该组分对应的结构具有完美的短程有序，即所有四面体内部都满足八隅律，就是说八面体内阴阳离子化合价之和为零。然而八面体间的连接仍然是无序的。因此该体系处于短程有序长程无序的特殊状态。

更有意义的是，对该体系电子结构分析表明，其结构的带隙明显偏离正常固溶体模型预测结果，且能带边缘的电子态具有很强的离域性，这是有序化合物的典型特征，其电输运性能应明显优于无序固溶体。通过进一步理论计算，研究人员证明了上述新奇化合物存在的可能性并预测可能存在的温度区间。该工作的意义在于，提出了在多元固溶体中可能存在特别的短程有序长程无序结构，具有类型有序化合物的物理性质，如电输运。这一发现为新型功能材料，如超导和热电等材料设计提供新思路和更广阔的搜索空间。

该文近期发表于npj Computational Materials 6: 63 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

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