[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论（DFT）系统研究了B2-FeAl中的点缺陷和复杂缺陷结构，解决了先前缺陷形成能计算中的不一致问题。研究发现，在近化学计量比条件下，单个Fe空位是主要缺陷（在1450 K时最高达1.6%），在Fe-rich区域中双Fe反位缺陷占主导，而在Al-rich区域中双Al反位缺陷占主导，并表明化学势、超原胞收敛性以及磁性处理对缺陷能量有决定性影响。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于B2-FeAl缺陷形成能报告值差异较大的问题，特别是针对Al和Fe空位。
• 研究超原胞收敛性、非磁性Fe近似以及化学势依赖性在缺陷能计算中的作用。
• 确定在不同Al浓度和温度条件下主导的点缺陷和复杂缺陷类型。
• 使用一致的热力学模型计算缺陷浓度，并与实验数据进行比较。
• 为未来关于B2-FeAl中缺陷动力学和扩散机制的研究提供基础。

提出的方法

• 在VASP代码中采用平面波DFT方法，使用PAW方法和PBE-GGA交换-关联泛函。
• 通过非磁性和铁磁性Fe的计算，评估磁性对缺陷形成能的影响。
• 采用不同尺寸的超原胞（最大128个原子）以确保缺陷形成能的收敛性。
• 计算了Fe和Al化学势依赖的缺陷形成能，以模拟非化学计量条件。
• 应用巨正则系综方法，利用缺陷平衡的标准热力学关系计算缺陷浓度。
• 通过与文献中实验的晶格参数、体模量和结合能对比验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何先前对B2-FeAl的缺陷形成能计算结果差异如此之大，特别是针对Al空位？
• RQ2 超原胞尺寸、Fe的磁性状态以及化学势依赖性如何影响计算得到的缺陷形成能？
• RQ3 在高温条件下，Fe-rich、化学计量比和Al-rich的B2-FeAl中，哪些点缺陷和复杂缺陷占主导？
• RQ4 在不同Al含量和温度（1000 K和1450 K）下，预测的缺陷浓度分布如何？
• RQ5 在Al-rich条件下，B2结构在多大程度上保持稳定，哪些缺陷导致其失稳？

主要发现

• 在化学计量比组成下，单个Fe空位是主导缺陷，在1450 K时浓度最高可达1.6%。
• 在Fe-rich条件下，双Fe反位是主导缺陷，在1000 K时浓度约为3.8%，在1450 K时约为5%，与实验数据吻合良好。
• 在Al-rich条件下，双Al反位成为主导缺陷，且B2结构预计在Al含量超过约50.5 at.%时变得不稳定，原因在于该复杂缺陷的形成能为负值。
• Al空位的形成能最高（比其他缺陷高几个数量级），导致其在所有条件下浓度可忽略不计。
• 缺陷形成能对化学势、超原胞尺寸以及Fe磁性的处理极为敏感，这解释了以往文献中结果差异较大的主要原因。
• 单个Fe空位在1000 K时从化学计量比至约52 at.% Al范围内保持主导，在1450 K时则稳定至约57 at.% Al，表明该缺陷类型具有广阔的稳定窗口。