[論文レビュー] Ab initio investigations of point and complex defect structures in B2-FeAl

Halil İbrahim Sözen, Tilmann Hickel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2021

Intermetallics and Advanced Alloy Properties参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ab initio密度汎関数理論（DFT）を用いて、B2-FeAlにおける点欠陥および複合欠陥構造を体系的に調査し、先行研究における欠陥生成エネルギーの不一致を解消する。1450 Kにおけるストイキオメトリックな条件下で単一のFe空孔が支配的欠陥となる（最大1.6%）、Fe過剰領域では二重Fe反位、Al過剰領域では二重Al反位が支配的であり、化学ポテンシャル、超格子収束性、磁気的取り扱いが欠陥エネルギーに顕著に影響することを示した。

ABSTRACT

In this work we have studied the defect structure and corresponding defect concentration investigations through the theoretical, experimental and computational works on B2-type Fe-Al alloys. We have used ab initio framework in order to investigate the defect structure. To have a proper explanation for high defect concentration in B2-FeAl, we did not confine with point defect, but extend the work on defect complexes. The possible defect formation energies were calculated with the dependence of chemical potential and carefully investigated against supercell size and the effect of magnetism. The calculations revealed that the double Fe antisite at Fe rich condition, the single Fe vacancy at intermediate region (i.e in the stoichiometry) and the double Al antisite is the dominant defect close to Al rich condition, where mainly Al rich region was unstable. From the obtained defect formation energies, defect concentrations were calculated at different temperatures with respect to Al concentration for B2-FeAl. It has been found that increasing Al content and temperature gradually leads to increase in the vacancy content. It has also seen that the dominant defect for all temperature ranges was the single Fe vacancy at the exact stoichiometry and the highest single Fe vacancy content detected with 1.6 % at 1450 K.

研究の動機と目的

• B2-FeAlにおける欠陥生成エネルギーの報告値に長年の不一致が生じる理由を解消すること、特にAlおよびFe空孔に関して。
• 欠陥エネルギー計算における超格子収束性、非磁性Fe近似、化学ポテンシャル依存性の役割を調査すること。
• さまざまなAl濃度および温度における主な点欠陥および複合欠陥の種類を特定すること。
• 一貫性のある熱力学的モデルを用いて欠陥濃度を計算し、実験データと比較すること。
• 今後のB2-FeAlにおける欠陥運動および拡散機構の研究の基盤を提供すること。

提案手法

• PAW法およびPBE-GGA交換相関関数を用いたVASPコードにおける平面波DFTを採用。
• 磁気的効果が欠陥生成エネルギーに与える影響を評価するため、非磁性および強磁性Feを用いて計算を実施。
• 欠陥生成エネルギーの収束を確認するため、最大128原子の超格子を用いて計算を実施。
• 非ストイキオメトリックな状態をモデル化するため、FeおよびAlの化学ポテンシャル関数としての欠陥生成エネルギーを計算。
• 標準的な熱力学的関係式を用いて、グランドカノニカルアンサンブル法により欠陥濃度を計算。
• 文献値との整合性を確認するため、実験的格子定数、バルクモジュラス、および解離エネルギーを用いて結果を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ先行研究におけるB2-FeAlの欠陥生成エネルギー計算値には、とくにAl空孔に関して広範なばらつきが生じるのか？
• RQ2 超格子サイズ、Feの磁気的状態、化学ポテンシャル依存性が、計算された欠陥生成エネルギーにどのように影響するのか？
• RQ3 高温条件下におけるFe過剰、ストイキオメトリック、Al過剰なB2-FeAlで、どの点欠陥および複合欠陥が支配的となるのか？
• RQ4 1000 Kおよび1450 KにおけるさまざまなAl含有量における予測欠陥濃度プロファイルはどのようになるか？
• RQ5 Al過剰条件下でB2構造はどの程度安定を保てるのか？また、その不安定化を引き起こす欠陥は何か？

主な発見

• ストイキオメトリックな組成では単一のFe空孔が支配的欠陥となり、1450 Kで最大1.6%の濃度に達する。
• Fe過剰条件下では二重Fe反位が支配的欠陥となり、1000 Kで約3.8%、1450 Kで約5%の計算濃度を示し、実験データと良好な一致を示す。
• Al過剰条件下では二重Al反位が支配的となり、この複合欠陥の生成エネルギーが負値を示すため、Al含有量が約50.5 at.%を超えるとB2構造は不安定になると予測される。
• Al空孔は他の欠陥と比べて生成エネルギーが極めて高く、すべての条件下で濃度が無視できるほど小さい。
• 欠陥生成エネルギーは化学ポテンシャル、超格子サイズ、Feの磁気的取り扱いの影響を強く受けるため、これが先行文献におけるばらつきの主な要因であると解釈できる。
• 1000 Kでストイキオメトリックから約52 at.% Alまで、1450 Kでは約57 at.% Alまで単一のFe空孔が支配的であり、この欠陥タイプの広範な安定領域を示している。