Effects of local compositional and structural disorder on vacancy formation in entropy-stabilized oxides from first-principles

组态熵 空位缺陷 氧化物 材料科学 热力学 化学物理 粘结长度 合金 化学 晶体结构 结晶学 冶金 物理
作者
Sieun Chae,Logan Williams,Jihang Lee,John T. Heron,Emmanouil Kioupakis
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:25
标识
DOI:10.1038/s41524-022-00780-0
摘要

Abstract Entropic stabilization has evolved into a strategy to create new oxide materials and realize novel functional properties engineered through the alloy composition. Achieving an atomistic understanding of these properties to enable their design, however, has been challenging due to the local compositional and structural disorder that underlies their fundamental structure-property relationships. Here, we combine high-throughput atomistic calculations and linear regression algorithms to investigate the role of local configurational and structural disorder on the thermodynamics of vacancy formation in (MgCoNiCuZn)O-based entropy-stabilized oxides (ESOs) and their influence on the electrical properties. We find that the cation-vacancy formation energies decrease with increasing local tensile strain caused by the deviation of the bond lengths in ESOs from the equilibrium bond length in the binary oxides. The oxygen-vacancy formation strongly depends on structural distortions associated with the local configuration of chemical species. Vacancies in ESOs exhibit deep thermodynamic transition levels that inhibit electrical conduction. By applying the charge-neutrality condition, we determine that the equilibrium concentrations of both oxygen and cation vacancies increase with increasing Cu mole fraction. Our results demonstrate that tuning the local chemistry and associated structural distortions by varying alloy composition acts an engineering principle that enables controlled defect formation in multi-component alloys.
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