[논문 리뷰] Effects of magnetic excitations and transitions on vacancy formation: cases of fcc Fe and Ni compared to bcc Fe

Kangming Li, Chu‐Chun Fu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 05.

Microstructure and Mechanical Properties of Steels참고 문헌 104인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)과 효과적 상호작용 모델을 조합한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 fcc Fe, fcc Ni, bcc Fe에서 이완결함 형성에 영향을 미치는 자성 진동과 전이의 영향을 조사한다. 그 결과, 종방향 스핀 진동이 fcc Fe와 Ni에서 자성 전이 온도 이상에서 이완결함 형성 자유에너지에 상당한 영향을 미치며, 특히 bcc Fe에서는 강한 스핀 변동 기여로 인해 더 두드러진 영향을 미친다.

ABSTRACT

Vacancy is one of the most frequent defects in metals. We study the impacts of magnetism on vacancy formation properties in fcc Ni, and in bcc and fcc Fe, via density functional theory (DFT) and effective interaction models combined with Monte Carlo simulations. Overall, the predicted vacancy formation energies and equilibrium vacancy concentrations are in good agreement with experimental data, available only at the high-temperature paramagnetic regime. Effects of magnetic transitions on vacancy formation energies are found to be more important in bcc Fe than in fcc Fe and Ni. The distinct behaviour is correlated to the relative roles of longitudinal and transversal spin excitations. At variance with the bcc-Fe case, we note a clear effect of longitudinal spin excitations on the magnetic free energy of vacancy formation in fcc Fe and Ni, leading to its steady variation above the respective magnetic transition temperature. Below the N\'{e}el point, such effect in fcc Fe is comparable but opposite to the one of the transversal excitations. Regarding fcc Ni, although neglecting the longitudinal spin excitations induces an overestimation of the Curie temperature by 220 K, no additional effect is visible below the Curie point. The distinct effects on the three systems are closely linked to DFT predictions of the dependence of vacancy formation energy on the variation of local magnetic-moment magnitudes and orientations.

연구 동기 및 목표

• fcc Fe, fcc Ni, bcc Fe에서 자성 진동과 전이가 이완결함 형성 에너지와 평형 농도에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 고온의 반자성 상태에서 이완결함 성질을 예측하기 위해 비자성 또는 강자성 기저 상태 근사를 얼마나 정확하게 적용할 수 있는지 평가하는 것.
• 다양한 자성 상에서 이완결함 형성 자유에너지 결정에 종방향 및 횡방향 스핀 진동의 차별화된 역할을 조사하는 것.
• 자기적 순서와 스핀 변동 강도가 다른 시스템 간의 자성 효과를 체계적으로 비교하는 것.

제안 방법

• fccc Fe, fcc Ni, bcc Fe에 이완결함이 있는지 여부에 따라 전자 구조와 자성 성질을 계산하기 위해 프로젝터 증강파( PAW) 방법과 PBE-GGA 기능을 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• DFT 결과를 바탕으로 시스템 내 자성 상호작용을 기술하는 효과적 상호작용 모델(EIMs)을 구속하였다.
• EIMs를 기반으로 한 격자상 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 온도 의존적인 이완결함 형성 자유에너지와 평형 농도를 계산하였다.
• 단기적 자성 불규칙성을 모델링하기 위해 반자성 상태를 자성 특수 임의 구조(mSQS)로 처리하였다.
• 자유에너지 계산에 종방향 및 횡방향 스핀 진동을 모두 포함시켜 이들이 이완결함 형성에 기여하는 바를 구분하였다.
• 고온 반자성 fcc Fe와 Ni에서의 이완결함 농도에 대한 실험 데이터와 EIM 예측을 비교하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 fcc Fe와 fcc Ni에서 종방향 및 횡방향 스핀 진동이 이완결함 형성 자유에너지에 미치는 기여는 bcc Fe와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 자기 전이가 이过渡 금속에서 이완결함 형성 에너지에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 자성 진동의 영향이 bcc Fe에서는 fcc Fe나 fcc Ni보다 더 두드러지는가?
• RQ4 비자성 또는 강자성 상태 근사는 반자성 영역에서 이완결함 성질을 예측하는 데 얼마나 정확한가?

주요 결과

• fccc Fe와 fcc Ni에서 예측된 이완결함 형성 에너지와 평형 농도는 고온 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• bcc Fe에서는 스핀 변동 기여가 강화되어 있어, fcc Fe나 fcc Ni보다 자성 전이가 이완결함 형성 에너지에 더 큰 영향을 미친다.
• fccc Fe와 fcc Ni에서 종방향 스핀 진동은 이완결함 형성의 자성 자유에너지에 상당한 영향을 미치며, 네엘/큐리 온도 이상에서 일관된 변화를 유도한다.
• fccc Fe에서 네엘 온도 이하에서는 종방향 스핀 진동의 영향력이 크기적으로 유사하지만, 횡방향 진동과 반대 부호를 가진다.
• 종방향 스핀 진동을 忽略할 경우 fcc Ni의 큐리 온도가 220 K 과도 과대 예측되나, 큐리 점 이하에서는 추가적인 영향이 관찰되지 않는다.
• 세 시스템 간의 독특한 자성 거동은 DFT로 예측된 국소 자화 모멘트 크기와 방향에 따른 이완결함 형성 에너지 변화와 직접적으로 연관되어 있다.