Structural and vibrational properties of lithium under ambient conditions within density functional theory

非谐性 声子 从头算 锂(药物) 凝聚态物理 中子衍射 密度泛函理论 相(物质) 吉布斯自由能 相变 相图 材料科学 化学 物理 热力学 衍射 计算化学 量子力学 医学 内分泌学
作者
Michael Hutcheon,R. J. Needs
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:99 (1) 被引量:18
标识
DOI:10.1103/physrevb.99.014111
摘要

We apply a general first-principles approach to derive the phase diagram of metallic Lithium at ambient pressure between 0 and 350 K, including identification of candidate phases. We use ab initio random structure searching (AIRSS) to identify competing phases and supplement the results with calculations of vibrational properties and relevant derived neutron diffraction patterns. Strong quantum nuclear effects are present, prompting a careful treatment of vibrations. We directly map the Born-Oppenheimer surface of Li for the first time, allowing the extension of the normal quasi-harmonic treatment of vibrations to a "quasi-anharmonic" approach, where the effects of anharmonicity are included. The Gibbs free energies of the FCC, BCC, HCP and 9R phases are derived using a variety of equations of state. We find that the anharmonic contribution to the Gibbs free energies of Li phases is of the same order as the differences between phases. Anharmonicity also makes a noticeable difference to the 0 K phonon dispersion of the BCC phase, with the largest difference at the N-point phonon. The ordering of phase transitions that we find agrees with the calculations of Ackland et al. [Science 356, 1254-1259, (2017)], even when anharmonic effects are included, suggesting that a quasi-harmonic treatment is sufficient for correct phase behaviour. We show explicitly that the Martensitic phase transition from close-packed to BCC lithium upon heating is driven by entropic contributions to the phonon free energy.

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