Atomic scale modeling of ordering phenomena
Doctoral thesis, 2020

Ordering phenomena in materials often have a crucial impact on materials properties.
They are governed by the competition between entropy and energy.
Accordingly simulating these aspects requires the construction of models that enable a computationally efficient exploration of the relevant configuration space.
The alloy cluster expansion technique is particular well suited for this task as they can be trained to reach high accuracy while being computationally suitable for rapid sampling via Monte Carlo simulations.

In paper I we present the icet software for the construction and sampling of alloy cluster expansions.
In this thesis the alloy cluster expansion method is applied to study several different materials.

The first group of materials studied are inorganic clathrates.
In paper II and III we studied the ordering behavior and related properties as a function of composition and temperature for the clathrates Ba8AlxSi46-x, Ba8AlxGe46-x, Ba8GaxGe46-x, and Ba8GaxSi46-x.
We achieved very good agreement with the available experimental data for the site occupancy factors (SOFs).

In paper IV and V we constructed the phase diagram for the W-Ti and W-C system respectively.
A cluster expansion for each system was constructed and the configurational free energy was calculated.
By also including other contributions to the free energy, most notably the vibrational free energy, the phase diagrams for these systems could be constructed.

In paper VI we studied the SSZ-13 zeolite and showed both that the Löwenstein rule is not respected with hydrogen as counterion and provided a rationale for this behavior.

Monte Carlo

ordering phenomena

tungsten carbide

inorganic clathrates

alloys

Cluster expansion

zeolites

PJ-salen, Fysikgården 2
Opponent: Professor Jaako Akola, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway

Author

Mattias Ångqvist

Chalmers, Physics, Materials and Surface Theory

ICET - A Python Library for Constructing and Sampling Alloy Cluster Expansions

ADVANCED THEORY AND SIMULATIONS,; Vol. 2(2019)

Journal article

Understanding Chemical Ordering in Intermetallic Clathrates from Atomic Scale Simulations

Chemistry of Materials,; Vol. 29(2017)p. 7554-7562

Journal article

Structurally driven asymmetric miscibility in the phase diagram of W-Ti

Physical Review Materials,; Vol. 3(2019)

Journal article

Martin Gren, Erik Fransson, Mattias Ångqvist, Paul Erhart and Göran Wahnström. Modeling of electronic, vibrational and configurational degrees of freedom in hexagonal and cubic tungsten carbide at high temperatures

Magnus Fant, Mattias Ångqvist, Anders Hellman, Paul Erhart. Generalization of the Löwenstein rule

Kemisk ordning i material beskriver hur de olika atomerna är fördelade i materialet.
Fenomen kopplade till ordning har ofta en viktig påverkan på ett materials egenskaper och styrs av en kamp mellan entropi (ett mått på oordning) och energi.
Vid låga temperaturer är energin den dominanta termen och atomerna i materialet tenderar att vara ordnade.
När temperaturen höjs så ökar oordningen och atomerna utforskar då olika sätt att distribueras.
Vid en tillräckligt hög temperatur är atomerna helt slumpmässigt utspridda i materialet.
Exakt vad som räknas som låg eller hög temperatur går generellt sett inte att säga för ett givet material och dessutom ligger ofta det intressanta temperaturintervallet mellan dessa extrema temperaturer.
Ordningen bestäms därför av ett samspel mellan energin och entropin som inte är så lätt att förutspå.

För att studera ordning i material så har vi i den här avhandlingen utvecklat och använt oss av så kallade klusterexpansioner. Detta är en modell på atomnivå som möjliggör utforskandet av energi- och entropilandskapet i material med hjälp av datorsimuleringar.

Ett exempel på tillämpningsområde där dessa metoder kan användas är de inorganiska klatraterna som är intressanta material till termoelektriska element.
I dessa material sitter atomerna i ett nätverk som formar burar som innesluter så kallade gästatomer, vilket är löst bundna atomer.
Dessa nätverk, som typiskt ockuperas av atomer från grupp 13 och 14 i periodiska systemet, har en distribution som är väldigt långt ifrån en slumpmässig ordning.
Det har även påvisats med både beräkningar och experiment att denna ordning har en påverkan på de termoelektriska egenskaperna.
Därmed är det viktigt att förstå vilken inverkan atomslag eller koncentration har på den kemiska ordningen i dessa material.

Vi har därför i papper II och III i denna avhandling studerat klatraterna med klusterexpansioner och simuleringar och återskapat de experiment och observationer som funnits i litteraturen.
Vi har även kunnat öka förståelsen för hur och varför den kemiska ordningen påverkas av olika faktorer.

Sammanfattningsvis så visar vi hur modeller och datorsimuleringar kan användas för att, på ett ofta väldigt exakt sätt, beskriva ordning och andra relaterade fenomen i material på ett effektivt sätt.

Wallenberg Academy Fellow KAW 2014 Erhart

Knut and Alice Wallenberg Foundation, 2015-07-01 -- 2020-06-30.

Analysis and Modelling Service for Engineering Materials Studied with Neutrons

Swedish Research Council (VR), 2018-11-01 -- 2020-12-31.

Nanolegeringar för plasmoniska tillämpningar

Swedish Research Council (VR), 2016-01-01 -- 2019-12-31.

Subject Categories

Physical Sciences

Infrastructure

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Areas of Advance

Materials Science

ISBN

978-91-7905-271-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4738

Publisher

Chalmers University of Technology

PJ-salen, Fysikgården 2

Online

Opponent: Professor Jaako Akola, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway

More information

Latest update

3/24/2020