[논문 리뷰] Ab initio investigations of point and complex defect structures in B2-FeAl

Halil İbrahim Sözen, Tilmann Hickel외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 15.

Intermetallics and Advanced Alloy Properties참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 B2-FeAl에서의 점 결함 및 복합 결함 구조를 체계적으로 조사하기 위해 ab initio 밀도함수이론(DFT)을 사용하며, 이전 결함 생성 에너지 계산에서의 모순을 해결한다. 균형 조건 근처에서는 단일 Fe 비공백이 주요 결함으로 나타나며, 1450 K에서 최대 1.6%의 농도에 이를 수 있다. 철 빈도가 높은 영역에서는 이중 Fe 반점이, 알루미늄 빈도가 높은 영역에서는 이중 Al 반점이 지배적이다. 또한 화학적 환경, 초세포 수렴성, 자성 처리 방식이 결함 에너지에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• B2-FeAl의 결함 생성 에너지에 대한 이전 보고치 사이에 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해, 특히 Al 및 Fe 비공백에 대해 고려한다.
• 초세포 수렴성, 비자성 Fe 근사치, 화학적 환경 의존성 등이 결함 에너지 계산에 미치는 영향을 조사한다.
• 다양한 Al 농도와 온도 조건에서 주요 점 결함 및 복합 결함 유형을 규명한다.
• 일관된 열역학 모델을 사용하여 결함 농도를 계산하고 실험 데이터와 비교한다.
• 향후 B2-FeAl에서의 결함 운동성 및 확산 메커니즘 연구를 위한 기초를 제공한다.

제안 방법

• PAW 방법과 PBE-GGA 교환-상관 기능을 사용한 VASP 코드 내에서 평면파 DFT를 적용한다.
• 비자성 및 강자성 Fe 상태를 모두 고려하여 결함 생성 에너지에 대한 자성 효과를 평가한다.
• 최대 128개 원자를 포함하는 다양한 크기의 초세포를 사용하여 결함 생성 에너지의 수렴성을 확보한다.
• 비균형 조건을 모의하기 위해 Fe 및 Al의 화학적 환경에 따라 변화하는 함수로 결함 생성 에너지를 계산한다.
• 결함 평형을 위한 표준 열역학 관계를 적용하여 광역계 양자역학적 접근을 통해 결함 농도를 계산한다.
• 문헌 자료로부터의 실험적 격자 상수, 부피모odulus 및 응집 에너지와의 비교를 통해 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이전의 B2-FeAl 결함 생성 에너지 계산에서 Al 비공백에 대해 매우 넓은 값의 범위가 나타나는가?
• RQ2 초세포 크기, Fe의 자성 상태, 화학적 환경 의존성은 계산된 결함 생성 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고온 조건에서 철 빈도가 높은, 균형 조건, 알루미늄 빈도가 높은 B2-FeAl에서 주로 나타나는 점 결함 및 복합 결함은 무엇인가?
• RQ4 다양한 Al 함량과 온도(1000 K 및 1450 K) 조건에서 예측된 결함 농도 프로파일은 어떠한가?
• RQ5 알루미늄 빈도가 높은 조건에서 B2 구조는 어느 정도까지 안정성을 유지할 수 있으며, 어떤 결함이 이 불안정성의 원인인가?

주요 결과

• 균형 조성에서 단일 Fe 비공백이 주요 결함으로 나타나며, 1450 K에서 최대 1.6%의 농도에 이를 수 있다.
• 철 빈도가 높은 조건에서는 이중 Fe 반점이 주요 결함으로 나타나며, 1000 K에서 약 3.8%, 1450 K에서 약 5%의 농도를 보이며 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 알루미늄 빈도가 높은 조건에서는 이중 Al 반점이 지배적이며, 이 복합 결함의 생성 에너지가 음수임에 따라 B2 구조는 약 50.5 at.% Al 이상에서는 안정하지 않다고 예측된다.
• Al 비공백은 다른 결함보다 훨씬 높은 생성 에너지를 가지며, 이로 인해 모든 조건에서 농도가 극히 낮다.
• 결함 생성 에너지는 화학적 환경, 초세포 크기, Fe 자성 처리 방법에 매우 민감하게 반응하며, 이는 이전 문헌에서 관찰된 변동성의 주요 원인임을 설명한다.
• 단일 Fe 비공백은 1000 K에서 균형 조성부터 약 52 at.% Al까지, 1450 K에서는 약 57 at.% Al까지 지배적인 상태를 유지하며, 이는 이 결함 유형이 매우 넓은 안정성 창을 가짐을 시사한다.