[论文解读] 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 15

一句话总结

本研究通过密度泛函理论（DFT）与有效相互作用模型结合蒙特卡洛模拟，探究磁激发与转变对面心立方（fcc）Fe、面心立方（fcc）Ni 和体心立方（bcc）Fe 中空位形成的影响。结果表明，纵向自旋激发显著影响 fcc Fe 和 Ni 中空位形成自由能，尤其是在其磁性转变温度以上；而在 bcc Fe 中，由于自旋涨落贡献更强，其影响更为显著。

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.

研究动机与目标

• 理解磁激发与转变对面心立方（fcc）Fe、面心立方（fcc）Ni 和体心立方（bcc）Fe 中空位形成能及平衡浓度的影响。
• 评估非磁性或铁磁基态近似在预测高温顺磁相空位性质方面的准确性。
• 研究纵向与横向自旋激发在不同磁性相中决定空位形成自由能的各自作用。
• 对具有不同磁有序性与自旋涨落强度的体系中的磁效应进行系统比较。

提出的方法

• 采用投影缀加平面波（PAW）方法与 PBE-GGA 泛函的密度泛函理论（DFT）计算 fcc Fe、fcc Ni 和 bcc Fe（含空位与不含空位）的电子结构与磁性性质。
• 利用 DFT 结果参数化有效相互作用模型（EIMs），以捕捉体系中的磁相互作用。
• 基于 EIMs 执行晶格上的蒙特卡洛模拟，计算温度依赖的空位形成自由能与平衡浓度。
• 通过磁性特殊准随机结构（mSQS）处理顺磁态，以模拟短程磁 disorder。
• 在自由能计算中同时纳入纵向与横向自旋激发，区分其对空位形成的贡献。
• 通过高温顺磁相 fcc Fe 与 Ni 中的空位浓度实验数据验证 EIM 的预测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 与 bcc Fe 相比，纵向与横向自旋激发在 fcc Fe 和 fcc Ni 中对空位形成自由能的贡献如何？
• RQ2 磁性转变在多大程度上影响这些过渡金属中的空位形成能？
• RQ3 为何磁激发对空位形成的影响在 bcc Fe 中比在 fcc Fe 或 fcc Ni 中更显著？
• RQ4 非磁性或铁磁态近似在预测顺磁区空位性质方面的准确性如何？

主要发现

• 预测的 fcc Fe 和 fcc Ni 中空位形成能与平衡浓度与高温实验数据吻合良好。
• 在 bcc Fe 中，磁性转变对空位形成能的影响强于 fcc Fe 或 fcc Ni，这是由于自旋涨落效应增强所致。
• 在 fcc Fe 和 fcc Ni 中，纵向自旋激发显著影响空位形成的磁自由能，导致在 Néel/居里温度以上出现稳定变化。
• 在 fcc Fe 的 Néel 温度以下，纵向自旋激发的影响在量级上与横向激发相当，但符号相反。
• 忽略纵向自旋激发会导致 fcc Ni 的居里温度高估约 220 K，但在居里点以下无额外影响。
• 三种体系中显著不同的磁行为与 DFT 预测的空位形成能随局域磁矩大小与方向的变化直接相关。