[論文レビュー] Effects of magnetic excitations and transitions on vacancy formation: cases of fcc Fe and Ni compared to bcc Fe

Kangming Li, Chu‐Chun Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Microstructure and Mechanical Properties of Steels参考文献 104被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）および有効相互作用モデルを組み合わせたモンテカルロシミュレーションを用いて、fcc Fe、fcc Ni、bcc Feにおける空孔形成に及ぼす磁気励起状態と遷移の影響を調査する。その結果、縦磁気励起状態が、特に磁気転移温度を超える領域でfcc FeおよびNiの空孔形成自由エネルギーに顕著な影響を与えることが判明した。一方、bcc Feではスピンフラクチュエーションの寄与が強く、より顕著な影響を示した。

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.

研究の動機と目的

• fcc Fe、fcc Ni、bcc Feにおける磁気励起状態および遷移が空孔形成エネルギーおよび平衡濃度に与える影響を理解すること。
• 高温のパラマグネティック相における空孔特性を予測する際に、非磁性状態または強磁性状態の近似がどの程度正確であるかを評価すること。
• 異なる磁気相において、縦磁気励起状態と横磁気励起状態が空孔形成自由エネルギーをどのように決定するかを調査すること。
• 磁気秩序とスピンフラクチュエーションの強さが異なる系における磁気的効果を体系的に比較すること。

提案手法

• fcc Fe、fcc Ni、bcc Feに空孔を含む系と含まない系の電子構造および磁気的性質を計算するために、プロジェクター・アウトライン波（PAW）法およびPBE-GGA汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• DFTの結果を基に、系内の磁気的相互作用を捉える有効相互作用モデル（EIM）をパラメータ化した。
• EIMに基づく格子上モンテカルロシミュレーションを用いて、温度依存の空孔形成自由エネルギーおよび平衡濃度を計算した。
• 短時間の磁気的不規則性をモデル化するため、磁気的特殊準ランダム構造（mSQS）を用いてパラマグネティック状態を扱った。
• 自由エネルギー計算に縦磁気励起状態と横磁気励起状態の両方を組み込み、空孔形成に与える寄与を区別した。
• 高温度パラマグネティックなfcc FeおよびNiにおける空孔濃度の実験データと照合して、EIMの予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 fcc Feおよびfcc Niにおける縦磁気励起状態と横磁気励起状態が、bcc Feと比較して空孔形成自由エネルギーにどのように寄与するか。
• RQ2 磁気転移がこれらの遷移金属における空孔形成エネルギーにどの程度の影響を及ぼすか。
• RQ3 なぜ磁気励起状態の影響がbcc Feにおいてfcc Feやfcc Niよりも顕著に現れるのか。
• RQ4 パラマグネティック領域における空孔特性を予測する際、非磁性状態または強磁性状態の近似はどの程度正確か。

主な発見

• 予測されたfcc Feおよびfcc Niの空孔形成エネルギーおよび平衡濃度は、高温実験データと良好に一致した。
• bcc Feでは、スピンフラクチュエーションの寄与が強いため、磁気転移が空孔形成エネルギーに及ぼす影響が、fcc Feやfcc Niよりも顕著であった。
• fcc Feおよびfcc Niでは、縦磁気励起状態が空孔形成の磁気的自由エネルギーに顕著な影響を与え、ネール／キュリー温度を超える領域で滑らかな変化を示した。
• fcc Feがネール温度未満の領域では、縦磁気励起状態の影響の大きさは横磁気励起状態と同等であるが、符号が逆であった。
• 縦磁気励起状態を無視すると、fcc Niのキュリー温度が220 K高めに予測され、キュリー点を超える領域でその影響が顕著に現れたが、キュリー点以下では追加の影響は観察されなかった。
• 3つの系における顕著な磁気的挙動の違いは、DFTで予測された局所磁気モーメントの大きさおよび方向に応じた空孔形成エネルギーの変化と直接関連していた。