Kvantově-mechanické modelování antifázových hranic ve slitinách hliníku a železa

Bc. Josef Gracias

Master's thesis

Quantum-mechanical modelling of antiphase boundaries in Al-Fe-based alloys

Abstract:

V této práci byla studována fáze Fe3Al a její tři modifikace, obsahující antifázové hranice (APB) charakterizované různými vektory posunutí. Struktury byly studovány pomocí programu VASP 5.3.3., který využívá teorii funkcionálu hustoty. Bylo zjištěno, že u struktur Fe3Al(110)c/2 a Fe3Al(110)c/2 double do-šlo v důsledku zavedení APB, v porovnání s referenční strukturou Fe3Al(110), k natažení mřížkového parametru a a zkrácení parametru c, jenž oba leží v rovině APB. U mřížkového parametru b, který je na APB kolmý, došlo k prodloužení. U struktur Fe3Al(001)a/2 a Fe3Al(001)a/2-double došlo v důsledku zavedení APB, ve srovnání s referenční strukturou Fe3Al(001), ke zkrácení mřížkových parame-trů a a b ležících v rovině APB a k prodloužení parametru c, který je na APB kolmý. Tvorná tepla všech studovaných struktur vzhledem ke směsi čis-tých prvků v referenčním stavu měla zápornou hodnotu, což poukazu-je na fakt, že tyto struktury jsou stabilnější než směs čistých prvků. Tvorná tepla struktur bez APB (Fe3Al(110) a Fe3Al(001)) měla obě hodnotu 0,2027 eV · atom-1. Zavedením antifázových hranic došlo k nárůstu celkové energie struktur (tvorná tepla antifázových hranic jsou tudíž kladná a leží v rozmezí (3,7439 · 1017 až 6,2655 · 1017 eV · m-2). Dále bylo zjištěno, že stabilizující efekt tvorných tepel struktur s antifázovými hranicemi roste s rostoucí vzdáleností mezi antifázový-mi hranicemi. V případě zavedení APB do struktury Fe3Al(110) (Fe3Al(001)) do-šlo k nárůstu (poklesu) průměrného magnetického momentu na atom, který se po zvýšení vzdálenosti mezi APB vrátil téměř na hodnotu „bezdefektního“ materiálu.

Abstract:

The Fe3Al phase and its three modifications containing antiphase boundaries (APBs) characterized by different displacement vectors were studied in this work. The structures were studied using the VASP 5.3.3 program, employing the density functional theory. It was found that for the Fe3Al(110)c/2 and Fe3Al(110)c/2-double structures, the introduction of the APBs resulted in an extension of the lattice parameter a and a shortening of the parameter c, both of which lie in the APB plane, compared to the reference Fe3Al(110) structure. The lattice parameter b, perpendicular to the APBs, was extended. For the Fe3Al(001)a/2 and Fe3Al(001)a/2-double structures, the introduction of the APBs resulted in a shortening of the lattice parameters a and b ly-ing in the APB plane and an extension of the parameter c, which is perpendicular to the APB, compared to the reference structure Fe3Al(001). The heat of formation of all the studied structures relative to the mixture of pure elements in the reference state had a negative value, indicating that these structures are more stable than the mixture of pure elements. The heats of formation of both structures without APBs were 0.2027 eV · atom-1. The introduction of antiphase boundaries led to an increase in the total energy of the structures (the heats of formation of APBs were therefore positive and lay in the range (from 3,7439 · 1017 to 6,2655 · 1017 eV · m-2). It was further found that the stabilising effect of heats of formation of structures with antiphase boundaries increases with increasing distance between the antiphase boundaries.

Keywords

Ab initio, Teorie funkcionálu hustoty, VASP, Fe3Al, Antifázové hranice, Tvorné teplo, Elastické konstanty

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2022
• Supervisor: doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
• Reader: Ing. Monika Všianská, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Material Chemistry