杂质S对Fe/Al2O3界面结合影响的第一性原理研究

唐杰; 张国英; 鲍君善; 刘贵立; 刘春明

doi:10.7498/aps.63.187101

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，研究了杂质S对Fe/Al2O3 界面结合的影响. 计算结果表明：S在界面上Fe3原子处的界面偏析能最小，因此S易于向Fe3原子处偏析. Fe/Al2O3 界面的结合主要受界面两侧Fe和O原子间相互作用控制. 态密度、键重叠布居数和电子密度的计算结果均表明：S在界面处的偏析减弱了界面处Fe原子和O原子之间的相互作用，而且S的存在会引起Fe和O原子之间较强的静电排斥，这些导致了界面结合力的下降. 研究结果可以使我们深入理解S在Fe-Cr-Al合金界面处的偏析造成氧化膜与合金基体结合减弱及氧化膜在S 偏聚处剥离的机理.

关键词:

Abstract

The effect of S impurity on adhesion of Fe(110)/Al2O3(0001) interface is studied by the first-principles plane wave pseudopotential method within the density functional theory. It is shown that S impurity prefers to occupy the site of Fe3 at Fe(110)/Al2O3(0001) interface substitutionally due to the smallest interface segregation energy. The adhesion of Fe(110)/Al2O3(0001) interface is mainly governed by the interaction between Fe and O atoms on both sides of interface. The calculation results of the partial density of states, Mulliken overlap population and the electron density all suggest that Fe-O interaction is weakened by the segregated S impurity at Fe/Al2O3 interface, and the presence of S impurity gives rise to stronger electrostatic repulsion between Fe and O atoms across Fe/Al2O3 interface, which all leads to a reduced adhesion for Fe/Al2O3 interface. As a result, the results obtained by the first principles can give us a deeper understanding of the mechanism of a reduced interface adhesion and the oxidation film spallation by the segregation of S impurity at FeCrAl alloy interface.

Keywords:

作者及机构信息

1.
沈阳师范大学物理科学与技术学院, 沈阳 110034;

2.
沈阳新松机器人自动化股份有限公司, 沈阳 110168;

3.
沈阳工业建筑工程学院, 沈阳 110023;

4.
东北大学材料冶金学院, 沈阳 110819

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：51371049）、辽宁省自然科学基金（批准号：20102173）和沈阳师范大学实验中心主任基金（批准号：Sy201103）资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China;

2.
Shenyang Siasun Robot & Automation Company Limited, Shenyang 110168, China;

3.
College of Constructional Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China;

4.
School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51371049), the Natural Science Foundation of Liaoning Province, China (Grant No. 20102173) and the Experimental Central Director's Foundation of Shenyang Normal University, China (Grant No. Sy201103).

参考文献

[1]	Zhang G Y, Zhang H, Fang G L, Luo Z C 2009 Acta Phys. Sin. 58 6442(in Chinese)[张国英, 张辉, 方戈亮, 罗志成 2009 58 6442]
[2]	Zhang Z G, Zhang X J, Pan T J, Niu Y 2007 J. Iron Steel Res. Int. 35 38(in Chinese)[张志刚, 张学军, 潘太军, 牛焱 2007 钢铁研究 35 38]
[3]	Hou P Y, Stringer J 1992 Oxid. Met. 38 323
[4]	Sigler D R 1993 Oxid. Met. 40 555
[5]	Li C X, Dang S H, Wang L P, Zhang C L, Han P D 2014 Chin. Phys. B 23 037102
[6]	Kohyama M, Tanaka S, Okazaki-Maeda K, Akita T 2007 Mater. Trans. 48 675
[7]	Liu G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 494(in Chinese)[刘贵立 2010 59 494]
[8]	Hong T, Smith J R, Srolovitz D J 1995 Acta Metal. Mater. 43 2721
[9]	Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717
[10]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[11]	Guan W M, Pan Y, Zhang K H, Guo J M 2010 Rare Metal Mat. Eng. 39 1339
[12]	Liu S Y, Shang J X, Wang F H, Zhang Y 2009 J. Phys. Condens. Matter 21 225005
[13]	Wu L H, Zhao X Q, Gong S K 2008 Acta Phys. Sin. 57 7794(in Chinese)[吴丽红, 赵新青, 宫声凯 2008 57 7794]
[14]	Fang L M, Gao J, Li H G 2012 J. Yantai Univ. 25 98 (in Chinese)[房丽敏, 高洁, 李华刚 2012 烟台大学学报 25 98]
[15]	Tolpygo V K, Viefhaus H 1999 Oxid. Met. 52 29
[16]	Hou P Y 2001 Mater. Sci. Forum 369 23
[17]	Xin L, Li M S, Zhou L J, Li T F, Wang F H 2000 J. Chin. Rare Earth Soc. 18 330 (in Chinese)[辛丽, 李美栓, 周龙江, 李铁藩, 王福会 2000 中国稀土学报 18 330]

施引文献

[1]	Zhang G Y, Zhang H, Fang G L, Luo Z C 2009 Acta Phys. Sin. 58 6442(in Chinese)[张国英, 张辉, 方戈亮, 罗志成 2009 58 6442]
[2]	Zhang Z G, Zhang X J, Pan T J, Niu Y 2007 J. Iron Steel Res. Int. 35 38(in Chinese)[张志刚, 张学军, 潘太军, 牛焱 2007 钢铁研究 35 38]
[3]	Hou P Y, Stringer J 1992 Oxid. Met. 38 323
[4]	Sigler D R 1993 Oxid. Met. 40 555
[5]	Li C X, Dang S H, Wang L P, Zhang C L, Han P D 2014 Chin. Phys. B 23 037102
[6]	Kohyama M, Tanaka S, Okazaki-Maeda K, Akita T 2007 Mater. Trans. 48 675
[7]	Liu G L 2010 Acta Phys. Sin. 59 494(in Chinese)[刘贵立 2010 59 494]
[8]	Hong T, Smith J R, Srolovitz D J 1995 Acta Metal. Mater. 43 2721
[9]	Segall M D, Lindan P J D, Probert M J, Pickard C J, Hasnip P J, Clark S J, Payne M C 2002 J. Phys. Condens. Matter 14 2717
[10]	Vanderbilt D 1990 Phys. Rev. B 41 7892
[11]	Guan W M, Pan Y, Zhang K H, Guo J M 2010 Rare Metal Mat. Eng. 39 1339
[12]	Liu S Y, Shang J X, Wang F H, Zhang Y 2009 J. Phys. Condens. Matter 21 225005
[13]	Wu L H, Zhao X Q, Gong S K 2008 Acta Phys. Sin. 57 7794(in Chinese)[吴丽红, 赵新青, 宫声凯 2008 57 7794]
[14]	Fang L M, Gao J, Li H G 2012 J. Yantai Univ. 25 98 (in Chinese)[房丽敏, 高洁, 李华刚 2012 烟台大学学报 25 98]
[15]	Tolpygo V K, Viefhaus H 1999 Oxid. Met. 52 29
[16]	Hou P Y 2001 Mater. Sci. Forum 369 23
[17]	Xin L, Li M S, Zhou L J, Li T F, Wang F H 2000 J. Chin. Rare Earth Soc. 18 330 (in Chinese)[辛丽, 李美栓, 周龙江, 李铁藩, 王福会 2000 中国稀土学报 18 330]

[1]	方语萱, 杨益, 夏志良, 霍宗亮. 3D NAND闪存中TiN与氧化表面F吸附作用的第一性原理研究. , 2024, 73(12): 128502. doi: 10.7498/aps.73.20240254
[2]	孙士阳, 迟中波, 徐平平, 安泽宇, 张俊皓, 谭心, 任元. 金刚石(111)/Al界面形成及性能的第一性原理研究. , 2021, 70(18): 188101. doi: 10.7498/aps.70.20210572
[3]	徐攀攀, 韩培德, 张竹霞, 张彩丽, 董楠, 王剑. 硼在fcc-Fe晶界偏析及对界面结合能力影响的第一性原理研究. , 2021, 70(16): 166401. doi: 10.7498/aps.70.20210361
[4]	陈东运, 高明, 李拥华, 徐飞, 赵磊, 马忠权. MoO₃/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究. , 2019, 68(10): 103101. doi: 10.7498/aps.68.20190067
[5]	姜平国, 汪正兵, 闫永播. 三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究. , 2017, 66(8): 086801. doi: 10.7498/aps.66.086801
[6]	高云亮, 朱芫江, 李进平. Al辐照损伤初期的第一性原理研究. , 2017, 66(5): 057104. doi: 10.7498/aps.66.057104
[7]	康永生, 赵宇宏, 侯华, 靳玉春, 陈利文. 相场法模拟Fe-C合金定向凝固的液相通道. , 2016, 65(18): 188102. doi: 10.7498/aps.65.188102
[8]	董珊, 张岩星, 张喜林, 许晓培, 毛建军, 李东霖, 陈志明, 马款, 范政权, 魏丹丹, 杨宗献. Ni与钇稳定的氧化锆(111)表面相互作用以及界面活性的第一性原理研究. , 2016, 65(6): 068201. doi: 10.7498/aps.65.068201
[9]	石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利. H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究. , 2015, 64(11): 116301. doi: 10.7498/aps.64.116301
[10]	刘贵立, 张国英, 鲍君善, 张辉. TiF3, TiCl3中阴阳离子对LiBH4协同催化机理的第一性原理研究. , 2014, 63(24): 248801. doi: 10.7498/aps.63.248801
[11]	孟凡顺, 李久会, 赵星. 第一性原理研究Zn偏析对CuΣ5晶界的影响. , 2014, 63(23): 237102. doi: 10.7498/aps.63.237102
[12]	罗强, 唐斌, 张智, 冉曾令. H2S在Fe(100)面吸附的第一性原理研究. , 2013, 62(7): 077101. doi: 10.7498/aps.62.077101
[13]	卢志鹏, 祝文军, 卢铁城. 高压下Fe从bcc到hcp结构相变机理的第一性原理计算. , 2013, 62(5): 056401. doi: 10.7498/aps.62.056401
[14]	梁培, 刘阳, 王乐, 吴珂, 董前民, 李晓艳. 表面悬挂键导致硅纳米线掺杂失效机理的第一性原理研究. , 2012, 61(15): 153102. doi: 10.7498/aps.61.153102
[15]	管东波, 毛健. Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究. , 2012, 61(1): 017102. doi: 10.7498/aps.61.017102
[16]	张易军, 闫金良, 赵刚, 谢万峰. Si掺杂β-Ga2O3的第一性原理计算与实验研究. , 2011, 60(3): 037103. doi: 10.7498/aps.60.037103
[17]	张辉, 张国英, 肖明珠, 路广霞, 朱圣龙, 张轲. 金属元素替代对Li4BN3H10储氢材料释氢影响机理的第一性原理研究. , 2011, 60(4): 047109. doi: 10.7498/aps.60.047109
[18]	李琦, 范广涵, 熊伟平, 章勇. ZnO 极性表面及其N原子吸附机理的第一性原理研究. , 2010, 59(6): 4170-4177. doi: 10.7498/aps.59.4170
[19]	吴海飞, 张寒洁, 廖清, 陆赟豪, 斯剑霄, 李海洋, 鲍世宁, 吴惠祯, 何丕模. Mn/PbTe(111)界面行为的光电子能谱研究. , 2009, 58(2): 1310-1315. doi: 10.7498/aps.58.1310
[20]	杨银堂, 武军, 蔡玉荣, 丁瑞雪, 宋久旭, 石立春. p型K:ZnO导电机理的第一性原理研究. , 2008, 57(11): 7151-7156. doi: 10.7498/aps.57.7151

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