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Bistructural Pseudocontinuous Solid Solution with Hierarchical Microstructures from Ab initio Study: Application to the Mg2Sn−Mg3Sb2 System

纳米团簇 材料科学 从头算 微观结构 化学物理 固溶体 电子结构 热力学 凝聚态物理 纳米技术 冶金 物理 有机化学 化学
作者
Erting Dong,Yongbin Zhu,Shi-Hua Tan,Weishu Liu,Jiong Wang,Wenqing Zhang
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:236: 118139-118139 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2022.118139
摘要

Hetero-structural solid solutions, i.e. those from the parent compounds with different crystal structures, occasionally appear for exploring new materials, but a systematic understanding of the thermodynamics, microstructures and electronic characteristics is still lacking. By alloying cubic (1- x )Mg 2 Sn with hexagonal (0.5 x )Mg 3 Sb 2 , we show that such a system manifests an overall pseudocontinuous composition distribution with hierarchical microstructures, and the coexistence of n-type/p-type electronic conduction regions. This type of solid solution is defined as a bistructural pseudocontinuous solid solution (BiSS), clearly different from the homogenous iso-structural solid solutions. The Mg 2-0.5 x Sn 1- x Sb x phase is found to be stable at the Mg 2 Sn-based phase only in the range of 0 < x ≤ ∼0.47, consistent with experimental observations. Large-scale Monte Carlo simulations reveal the natural occurrence of hierarchical microstructures, which contains primarily both nanoscale Mg-deficiency clusters and a homogeneous matrix showing tunable compositions relevant to alloy composition and annealing temperature. The electronic structures of the BiSS thus manifest a spatially inhomogeneous coexistence of n-type matrix and p-type nanoclusters, implying the importance of selective doping for optimizing thermoelectric performance. Those phenomena could be considered universal in hetero-structural solid solutions. This work offers a general guideline for the design of bistructural and even hetero-structural solid solutions with potential novel functionality.
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