《Optik》：DFT-driven optical design of amorphous Al??Ni?Y?Cu?? for reflective and transparent coating applications
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阿巴伊·P·斯里瓦斯塔瓦（Abhay P. Srivastava）| 布里杰什·K·潘迪（Brijesh K. Pandey）
印度北方邦勒克瑙戈埃尔技术与管理学院（Goel Institute of Technology and Management）应用科学与人文系
摘要
阿巴伊·P·斯里瓦斯塔瓦（Abhay P. Srivastava）| 布里杰什·K·潘迪（Brijesh K. Pandey）
印度北方邦勒克瑙戈埃尔技术与管理学院（Goel Institute of Technology and Management）应用科学与人文系
摘要
非晶态多组分合金因其独特的强度、热稳定性和电子多功能性而备受关注，尽管许多有前景的合金组合尚未得到充分研究。其中一种未被探索的系统是四元金属玻璃Al??Ni?Y?Cu??，目前尚无相关的理论或实验研究。在这项研究中，我们首次对其结构、力学、光学和电子特性进行了完整的密度泛函理论（DFT）分析。非晶结构中存在许多以铝为中心的二十面体结构和畸变的Frank–Kasper型结构，这些结构有助于稳定原子排列并抑制结晶。该合金的体积模量（约90 GPa）和弹性模量（约116 GPa）体现了其机械强度；泊松比（ν ≈ 0.306）和B/G比（2.24）表明其具有良好的延展性。电子分析显示，金属行为对应于费米能级附近的一个伪能隙，从而增强了热稳定性和化学稳定性。光学特性表现为在低光子能量下具有金属反射性，同时在3 eV以上具有介电透明性。这些观察结果使Al??Ni?Y?Cu??成为制造结构涂层、电子器件和热稳定功能器件的理想候选材料，并通过提供这种合金的原子级理解填补了相关文献的空白。
引言
金属玻璃是一类具有强大功能和结构特性的快速发展的材料[1]、[2]、[3]，它们结合了高强度、弹性极限、耐腐蚀性和电子可调性。其中，基于铝的非晶合金因其低密度、良好的刚度和优良的光学响应而最具吸引力，适用于轻质机械部件、光学涂层和下一代光子器件。由于无法形成长程有序结构，原子能够形成密集的二十面体和畸变的多面体结构，从而优化了堆积效率，同时阻碍了结晶过程[4]、[5]。
基于二元和三元体系的铝基合金（如Al–Ni、Al–Y和Al–Cu）已得到广泛的实验和理论研究，但多组分非晶合金的丰富成分设计空间尚未得到充分探索[6]。在这方面，四元金属玻璃Al??Ni?Y?Cu??是一个有前景的候选材料，但目前尚无关于该合金的实验或理论研究[7]。然而，目前尚缺乏关于其短程或中程原子有序性、机械响应、光学色散行为、介电函数、声子谱或电子稳定性的文献资料。
由于缺乏基础数据，这种材料在结合强玻璃形成剂（Ni、Y）和键强度修饰剂（Cu）以及轻质高性能应用特性后，其技术可行性尚未确定[8]。因此，解析这种材料的原子级结构和电子特性非常重要，因为金属玻璃的光学和机械响应与其区域结构密切相关。例如，二十面体短程有序性应能提高刚度、减少自由体积并稳定电子态密度中的伪能隙，这些是光学反射率、等离子体行为和介电转变的关键特征[9]、[10]、[11]。
然而，这些功能特性对Al??Ni?Y?Cu??行为的影响程度仍需通过第一性原理计算来确定。除了机械稳定性外，这种合金还具有潜在的光学涂层应用前景[12]。过渡金属d电子（Ni和Cu）与铝的杂化态相结合，赋予了可调的等离子体特性、宽带吸收和金属-介电转变行为。这些特性可以用于开发多功能涂层，实现红外屏蔽、宽带反射、紫外透明等功能[13]、[14]、[15]。
然而，这种合金的光学特性尚未与其电子结构相关联，以评估其整体涂层性能。为满足这一需求，本研究首次对非晶Al??Ni?Y?Cu??进行了全面的密度泛函理论（DFT）分析，提供了文献中从未报道过的原子级见解。我们分析了其结构特征、弹性行为、光学常数（ε?, ε?, n, k）、电子态密度、伪能隙特性、声子特性、功函数、热电响应和状态方程参数[16]、[17]、[18]。
这些结果全面表征了这种此前未被探索的合金的物理化学性质，强调了其在高稳定性光学涂层（包括等离子体层、反射表面和电子保护涂层）方面的实际应用潜力。因此，这项工作有望填补科学空白，并为这种有前景的金属玻璃系统的实验合成和工程应用奠定初步基础。
章节摘录
计算方法
所有模拟均采用维也纳从头算模拟包（VASP）中的密度泛函理论（DFT）进行，使用了投影增强波（PAW）方法。交换-相关效应通过广义梯度近似（GGA）下的Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函处理，该方法在金属和非晶系统模拟中均表现出优异的性能。应用了520 eV的平面波动能截止值，以确保总能量、光学张量的收敛性。
Al??Ni?Y?Cu??的结构特性
非晶Al??Ni?Y?Cu??的结构模型显示了一系列密集的互锁原子多面体，其中包含以铝为中心的二十面体簇（图1）。在金属玻璃中，缺乏长程周期性，所有原子都排列成有序的局部结构，这些局部结构决定了宏观性质。以铝为中心的二十面体（Z12）提供了最稳定的短程有序性，因为其堆积和内部应变非常高效。每个铝原子通常
结论
我们首次利用密度泛函理论（DFT）研究了新型非晶合金Al??Ni?Y?Cu??的结构、力学、电子、振动和光学性质。研究结果表明，该合金具有优异的机械强度、可调的光学功能性和稳定性。它由以铝为中心的二十面体和畸变的Frank–Kasper多面体组成，同时包含Ni/Cu混合配位结构和以钇为中心的高配位结构
作者贡献
阿巴伊·普拉卡什·斯里瓦斯塔瓦（Abhay Prakash Srivastava）在布里杰什·库马尔·潘迪（Brijesh Kumar Pandey）的指导下完成了手稿初稿的撰写。
CRediT作者贡献声明
阿巴伊·P·斯里瓦斯塔瓦（Abhay P. Srivastava）：概念构思、形式分析、方法论、软件开发、原始稿撰写、可视化。布里杰什·K·潘迪（Brijesh K. Pandey）：指导、审稿与编辑。
伦理批准
作者确认这是他们的原创工作，未在其他地方提交或发表。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
