[논문 리뷰] Distribution of Formation and migration energies of point defects in concentrated solid-solution alloys: Ni_{0.5}Co_{0.5}, Ni_{0.5}Fe_{0.5}, Ni_{0.8}Fe_{0.2} and Ni_{0.8}Cr_{0.2}

Shijun Zhao, G. M. Stocks외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 15.

Metallurgical and Alloy Processes참고 문헌 2인용 수 75

한 줄 요약

이 연구는 Ni 기반 고농도 용체합금(Ni₀.₅Co₀.₅, Ni₀.₅Fe₀.₅, Ni₀.₈Fe₀.₂, Ni₀.₈Cr₀.₂)에서 점결함의 생성 및 이동 에너지 분포를 맵핑하기 위해 ab initio 계산과 특수 무작위 구조(SQS)를 사용한다. 연구 결과, Fe가 가장 강한 합금화 효과를 나타내며, 빈약과 치환 결함 간의 이동 에너지 분포가 상당히 겹쳐져 있어 결함 재결합이 가능함을 밝혀내어 방사선 손상에 대한 저항성에 핵심적임을 시사한다.

ABSTRACT

Using ab initio calculations and special quasirandom structures, we have characterized the distribution of defect formation energy and migration barrier in Ni-based solid-solution alloys: Ni_{0.5}Co_{0.5}, Ni_{0.5}Fe_{0.5}, Ni_{0.8}Fe_{0.2} and Ni_{0.8}Cr_{0.2}. As defect formation energies depend sensitively on elemental chemical potential, we have developed a computationally efficient method for determining it which takes into account the global composition and local short-range order. We find that Fe has the biggest alloy effects for Ni among these four elements. Our results show that the distribution of migration energies for vacancies and interstitial have a region of overlap, which will facilitate the recombination between them.

연구 동기 및 목표

• Ni 기반 고농도 용체합금에서 점결함의 생성 및 이동 에너지 분포를 이해하기 위해.
• 원소의 화학적 위치 에너지와 국소적 단기 순서가 결함 에너지학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• Co, Fe, Cr의 합금화 효과가 Ni 기반 용체합금에서 결함의 안정성과 이동성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 전체 조성과 국소 원자 순서를 고려한 결함 생성 에너지를 효율적으로 계산할 수 있는 계산 방법을 개발하기 위해.
• 결함 에너지 분포가 구조적 합금에서 방사선 손상 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 특수 무작위 구조(SQS) 프레임워크 내에서 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 활용해 무질서한 용체합금을 모델링하기 위해.
• 전체 조성과 국소 단기 순서 효과를 모두 통합한 계산적으로 효율적인 방법을 사용해 결함 생성 에너지를 결정하기 위해.
• 다양한 원자 구조를 통해 빈약과 치환 결함의 생성 에너지를 계산하여 통계적 분포를 맵핑하기 위해.
• 격자 위치 간 최소 에너지 경로를 식별하여 빈약과 치환 결함의 이동 장벽을 계산하기 위해.
• 빈약과 치환 결함의 이동 에너지 분포 간 겹침을 분석하여 재결합 가능성 평가하기 위해.
• 기존의 전이 금속 합금 경향과의 일관성 검증 및 비교를 통해 결과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 용질 농도와 원소 종류를 가진 Ni 기반 고농도 용체합금에서 점결함의 생성 에너지는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 국소적 단기 순서와 원소의 화학적 위치 에너지가 결함 생성 에너지 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 합금에서 빈약의 이동 에너지 분포는 치환 결함의 것과 어떻게 비교되며, 재결합을 가능하게 하는 겹침이 존재하는가?
• RQ4 Co, Fe, Cr 중 어느 용질 원소가 Ni 기반 용체합금에서 결함 에너지학에 가장 강한 영향을 미치는가?
• RQ5 합금화가 결함 재결합 경로를 어떻게 조절하며, 이는 방사선 내성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Co, Fe, Cr 중에서 Fe가 Ni 기반 용체합금에서 점결함의 생성 및 이동 에너지에 가장 강한 합금화 효과를 나타낸다.
• 빈약과 치환 결함의 이동 에너지 분포 간에 상당한 겹침 영역이 존재하여 결함 재결합 가능성이 높음을 시사한다.
• 결함 생성 에너지는 원소의 화학적 위치 에너지에 매우 민감하게 반응하므로 열역학적 모델링 시 이를 신중히 고려해야 한다.
• 개발된 방법은 전체 조성과 국소 원자 단기 순서를 통합함으로써 정확하고 효율적인 결함 생성 에너지 계산을 가능하게 한다.
• 이동 에너지 분포의 겹침은 방사선 조건에서 효율적인 결함 재결합으로 이어져 이러한 합금이 자가 복구 능력을 향상시킬 수 있음을 시사한다.
• Ni₀.₈Fe₀.₂와 Ni₀.₈Cr₀.₂는 Ni₀.₅Co₀.₅와 Ni₀.₅Fe₀.₅보다 방사선 저항성에 유리한 결함 에너지 분포를 보인다.