合金原子在Fe(100)表面的偏聚及其对氧原子吸附的影响

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铁基合金作为加速器驱动的次临界系统(ADS系统)的结构材料近年来引起了广泛的关注。液态Pb-Bi合金因其具有优良的中子学、热学及力学性能被认为是ADS系统理想的冷却剂和散裂靶材料,但液态Pb-Bi合金也对结构材料造成了严重的腐蚀作用,这严重制约着这一技术的进一步发展。研究结果表明液态Pb-Bi合金对结构材料的腐蚀程度同结构材料的表面成份及液态Pb-Bi合金中的氧浓度密切相关。  我们采用第一性原理计算方法系统的研究了9种3d过渡族金属原子在Fe(100)表面上的偏聚及其对氧原子吸附的影响。一方面,我们发现Sc,Ti,Mn,Ni,Cu,Zn这6种金属原子有向表面偏聚的趋势,而V,Cr,Co三种金属原子较表面而言更愿意呆在块体内部。我们还计算了这9种金属原子表面偏聚能随着表面深度变化的趋势。计算结果显示,除了Ti,Cr, Mn三种金属原子以外,其它6种合金原子的偏聚能在Fe(100)表面第一层到第五层是单调变化的;对于Ti,Cr, Mn三种金属原子,其在表面第二层的偏聚能都有一个突然变大的趋势,直接由负值变为正值,这说明表面的第二层将对这三种合金原子的表面偏聚形为起着主要的阻碍作用。另一方面,我们发现当表面一个铁原子被合金原子替代后,氧原子同原子序数较Fe原子大的金属原子是相互吸引的,而同原子序数较Fe小的金属原子是相互排斥的。基于以上的计算结果,在Fe(100)表面上,我们认为表面氧化将在Sc,Ti,Mn等元素富集的区域优先发生。
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