α-Fe氦缺陷及弹性模量的第一性原理研究

α-Fe氦缺陷及弹性模量的第一性原理研究

汤新政, 彭 蕾, 时靖谊, 白永安

【摘 要】摘 要：基于密度泛函理论, 针对聚变堆结构钢中子辐照后氦效应进行第一性原理模拟研究. 通过计算α-Fe中He缺陷形成能, 来分析不同类型He缺陷相对稳定性及磁性的影响, 并针对相对稳定的替位He缺陷, 计算氦缺陷对α-Fe弹性模量的影响. 结果表明: 磁性对替位氦缺陷影响较小, 结合态密度数据可知, 替位氦可能引起晶格常数增大和体模量降低, 且氦相对浓度减小可能会引起对弹性模量降低影响的弱化． 【期刊名称】原子与分子物理学报 【年(卷),期】2016(033)005 【总页数】5

【关键词】α-Fe； 氦缺陷； 形成能； 弹性模量； 第一性原理

1 引 言

材料问题是聚变能源实现的关键问题之一，辐照损伤是聚变堆结构材料研究的焦点．作为未来聚变堆候选结构材料的铁素体马氏体钢(α-Fe基体)，在聚变堆14 MeV中子辐照下，不仅可能产生辐照缺陷，而且还会因为(n , α)反应产生大量低溶解度的氦(He), 进而与材料内部多种原子、缺陷相互作用，最终导致微结构的演化，造成材料的力学性能降低．这是目前辐照损伤研究领域中的难点之一．

目前，利用相互作用经验势研究α-Fe中He缺陷性质的理论工作已经很多，上世纪70年代, Wilson等人基于汤姆逊-费米-迪拉克方程, 利用He-Fe势计算形成能以及后期的有效介质理论，都得到替位He最稳定，而八面体间隙He比

四面体间隙He更稳定的结论[1-3]；而近年来最新研究表明，四面体间隙He比八面体间隙He更稳定[4]．因此，不同He缺陷的稳定性存在异议，而且磁性对四面体间隙He和八面体间隙He相对稳定性的影响机制仍然存在分歧，T.Seletskaia等人认为磁性对He缺陷的相对稳定性影响较大[4]; X.T.Zu等人认为磁性不直接影响氦缺陷的相对稳定性[5]．

本文通过第一性原理，计算有磁和无磁两种情形下，α-Fe中替位(Substitutional Site，SS)氦缺陷、四面体间隙位(Tetrahedral Interstitial Site，TIS)氦缺陷、八面体间隙位(Octahedral Interstitial Site，OIS)氦缺陷、空位(Vacancy Site，VS)的形成能，以及弛豫前后缺陷体积变化，试图探究磁性对SS、TIS、OIS缺陷的形成能，弛豫前后体积变化，以及缺陷相对稳定性的影响．在此基础上，以SS缺陷为模型，探究了氦缺陷对α-Fe微结构的改变和力学性能降阶的影响．

2 计算方法

本文主要利用基于第一性原理方法的VASP软件包[6]，采用投影缀加波赝势法(Project Augmented Wave)和广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation)的PW91交换相关函数[7-9]．计算考虑了自旋，并对平面波截断能Ecutoff 和K网格点分布进行能量收敛测试，参数设置平面波截断能Ecutoff为300 eV，采用Monkhorst-Pack特殊K网格点方法对布里渊区进行采样．对于含54个原子的超胞，使用3×3×3的K点网格．结构优化的收敛精度是0.01 eV/?．依据周期性边界条件，构建了3×3×3的体心立方α-Fe超胞(54个原子)． He缺陷形成能计算公式为： =-NEFe-EHe，空位缺陷形成能计算公式为=-ENFe+EFe，其中，表示三种氦缺陷的形成能；表示含N个Fe原

子和1个He原子超胞的能量；表示空位缺陷形成能；E(N-1)FeV是含一个空位和N-1个Fe原子超胞的能量是含N个Fe原子超胞的能量；EFe表示0K温度下的Fe原子内聚能；EHe为孤立He原子的能量[10]．而α-Fe体积弹性模量的计算，则是利用基于第一性原理的Material Studio程序中的CASTEP模块，理论上依据Murnaghan状态方程[11]，体系总能量的变化与体积变化量的二次方存在比例关系．

3 结果与讨论

3.1 缺陷结构稳定性及磁性影响

本文选择3×3×3超胞α-Fe模型(包含54个晶格原子和间隙缺陷)来研究He缺陷结构的相对稳定性，讨论了体心立方结构α-Fe中四种常见的缺陷结构，包括替位(SS)氦缺陷、四面体间隙位(TIS)氦缺陷、八面体间隙位(OIS)氦缺陷、空位(VS)缺陷，如图1所示．

本文针对SS、TIS和OIS氦缺陷结构，分别计算形成能和，如表1所示，SS氦缺陷形成能与SIESTA方法的计算结果相比较高出0.24 eV，和54原子125个K点VASP方法的计算结果相差0.12 eV，比128原子VASP方法的计算结果高0.35 eV, 而TIS和OIS氦缺陷形成能略高. 结果表明，三种缺陷结构的相对稳定性为：SS > TIS > OIS．一方面，最稳定的结构是SS，因为从几何结构上看，He在SS氦缺陷占据最大的自由空间，而He原子是闭壳电子结构，性质非常稳定，倾向占据尽量大的自由空间．但另一方面，本文计算中占据了相对最小的自由空间TIS缺陷却并不是最不稳定的．总的来说，本文比较不同的第一性原理方法的计算结果有一定差别，尤其是不同计算体系大小对数据结果有一定影响，但结果体现的不同缺陷结构相对稳定性趋势是一致的[4,5,13,14]，