The microscopic mechanism behind the extraordinary ability of ceria to store, release, and transport oxygen is explained on the basis of first-principles quantum mechanical simulations. The oxygen-vacancy formation energy in ceria is calculated for different local environments. The reversible CeO2-Ce2O3 reduction transition associated with oxygen-vacancy formation and migration is shown to be directly coupled with the quantum process of electron localization.

To understand sparse systems, we must account for both strong local atom bonds and weak nonlocal van der Waals forces between atoms separated by empty space. A fully nonlocal functional form [Phys. Rev. B 62, 6997 (2000)]] of density-functional theory (DFT) is applied here to the layered systems graphite, boron nitride, and molybdenum sulfide to compute bond lengths, binding energies, and compressibilities. These key examples show that the DFT with the generalized-gradient approximation does not apply for calculating properties of sparse matter, while use of the fully nonlocal version appears to be one way to proceed.

An accurate and easily extendable method to deal with lattice dynamics of solids is offered. It is based on first-principles molecular dynamics simulations and provides a consistent way to extract the best possible harmonic - or higher order - potential energy surface at finite temperatures. It is designed to work even for strongly anharmonic systems where the traditional quasiharmonic approximation fails. The accuracy and convergence of the method are controlled in a straightforward way. Excellent agreement of the calculated phonon dispersion relations at finite temperature with experimental results for bcc Li and bcc Zr is demonstrated.

Oxides with the cubic fluorite structure, e.g., ceria (CeO2), are known to be good solid electrolytes when they are doped with cations of lower valence than the host cations. The high ionic conductivity of doped ceria makes it an attractive electrolyte for solid oxide fuel cells, whose prospects as an environmentally friendly power source are very promising. In these electrolytes, the current is carried by oxygen ions that are transported by oxygen vacancies, present to compensate for the lower charge of the dopant cations. Ionic conductivity in ceria is closely related to oxygen-vacancy formation and migration properties. A clear physical picture of the connection between the choice of a dopant and the improvement of ionic conductivity in ceria is still lacking. Here we present a quantum-mechanical first-principles study of the influence of different trivalent impurities on these properties. Our results reveal a remarkable correspondence between vacancy properties at the atomic level and the macroscopic ionic conductivity. The key parameters comprise migration barriers for bulk diffusion and vacancy-dopant interactions, represented by association (binding) energies of vacancy-dopant clusters. The interactions can be divided into repulsive elastic and attractive electronic parts. In the optimal electrolyte, these parts should balance. This finding offers a simple and clear way to narrow the search for superior dopants and combinations of dopants. The ideal dopant should have an effective atomic number between 61 (Pm) and 62 (Sm), and we elaborate that combinations of Nd/Sm and Pr/Gd show enhanced ionic conductivity, as compared with that for each element separately.

We have developed a thorough and accurate method of determining anharmonic free energies, the temperature dependent effective potential technique (TDEP). It is based on ab initio molecular dynamics followed by a mapping onto a model Hamiltonian that describes the lattice dynamics. The formalism and the numerical aspects of the technique are described in detail. A number of practical examples are given, and results are presented, which confirm the usefulness of TDEP within ab initio and classical molecular dynamics frameworks. In particular, we examine from first principles the behavior of force constants upon the dynamical stabilization of the body centered phase of Zr, and show that they become more localized. We also calculate the phase diagram for ${}^{4}$He modeled with the Aziz et al. potential and obtain results which are in favorable agreement both with respect to experiment and established techniques.

The electronic structure and thermodynamic properties of $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2}$ and ${\mathrm{Ce}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}$ have been studied from first principles by the all-electron projector-augmented-wave (PAW) method, as implemented in the ab initio total-energy and molecular-dynamics program VASP (Vienna ab initio simulation package). The local density approximation $(\mathrm{LDA})+U$ formalism has been used to account for the strong on-site Coulomb repulsion among the localized Ce $4f$ electrons. We discuss how the properties of $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2}$ and ${\mathrm{Ce}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}$ are affected by the choice of $U$ as well as the choice of exchange-correlation potential, i.e., the local density approximation or the generalized gradient approximation. Further, reduction of $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2}$, leading to formation of ${\mathrm{Ce}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}$ and $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2\ensuremath{-}x}$, and its dependence on $U$ and exchange-correlation potential have been studied in detail. Our results show that by choosing an appropriate $U$ it is possible to consistently describe structural, thermodynamic, and electronic properties of $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2}$, ${\mathrm{Ce}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}$, and $\mathrm{Ce}{\mathrm{O}}_{2\ensuremath{-}x}$, which enables modeling of redox processes involving ceria-based materials.

Lattice dynamics of body-centered cubic (bcc) Vb-VIb group transition metals (TM), and B1-type monocarbides and mononitrides of IIIb-VIb transition metals are studied by means of first-principles density functional perturbation theory, ultra soft pseudopotentials, and generalized gradient approximation to the exchange-correlation functional. Ground state parameters of transition metals and their compounds are correctly reproduced with the generated ultrasoft pseudopotentials. The calculated phonon spectra of the bcc metals are in excellent agreement with results of inelastic neutron scattering experiments. We show that the superconductivity of transition metal carbides (TMC) and transition metal nitrides (TMN) is related to peculiarities of the phonon spectra, and the anomalies of the spectra are connected to the number of valence electrons in crystals. The calculated electron-phonon interaction constants for TM, TMC, and TMN are in excellent agreement with experimentally determined values. Phonon spectra for a number of monocarbides and mononitrides of transition metals within the cubic NaCl- and hexagonal WC-type structures are predicted. Ideal stoichiometric B1 crystals of ScC, YC, and VC are predicted to be dynamically stable and superconducting materials. We also conclude that YN is a semiconductor.

The search for energy-efficient and environmentally friendly cooling technologies is a key driver for the development of magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect (MCE). This phenomenon arises from the interplay between magnetic and lattice degrees of freedom that is strong in certain materials, leading to a change in temperature upon application or removal of a magnetic field. Here we explore in detail an emerging material, Mn1−xFexNiSi0.95Al0.05, with an exceptionally large isothermal entropy at room temperature. By combining experimental and theoretical methods we outline the microscopic mechanism behind the large MCE in this material. It is demonstrated that the competition between the Ni2In-type hexagonal phase and the TiNiSi-type orthorhombic phase, that coexist in this system, combined with the distinctly different magnetic properties of these phases, is a key parameter for the functionality of this material for magnetic cooling. Published by the American Physical Society 2024