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Effect of disorder on thermodynamic instability of binary Rare-earth – Nickel – Palladium compounds

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作者
Prashant Singh,Tyler Del Rose,Yaroslav Mudryk
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:238: 118205-118205
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2022.118205
摘要

We have investigated the thermodynamic stability of disordered rare-earth phases SmX 2 and Sm 10 X 21 (X=Ni, Pd) using machine-learning based analytical descriptor and first-principles density functional theory methods. The absence of Laves phase compounds in R-Pd binary systems is a longstanding problem of rare earth science: even though Ni and Pd belong to the same group of the periodic table and have similar electronic structure, the Pd compound crystallizes in a monoclinic ( C2/m) phase with 10:21 stoichiometry, i.e., Sm 10 Pd 21 , while the Ni compound adopts a cubic Laves phase (MgCu 2 ) structure. To understand this contrasting phase stability, we performed thermodynamic convex hull analysis of Sm x Ni 1-x and Sm x Pd 1-x binary systems, which is experimentally validated using powder X-ray diffraction (PXRD) analyzes of polycrystalline Sm(Ni x Pd 1-x ) 2 samples with x=0, 0.5, and 1. A detailed electronic-structure (band-structure, charge density, and Fermi-surface) analysis of the differences between SmNi 2 /SmPd 2 and Sm 10 Ni 21 /Sm 10 Pd 21 compounds provides the quantum mechanical origin of the unfavorable mixing of Pd with Ni in cubic Laves phase. We show that the stability of Sm-Pd in 10:21 stoichiometry arises from improved intra-/inter-layer 5 d -4 d bonding compared to the 1:2 stoichiometry. Our work emphasizes the importance of ab-initio methods and computationally inexpensive analytical descriptors for the detailed analysis of thermodynamic and electronic properties of hard-to-prepare rare-earth compounds.

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