Моделирование атомной структуры когерентной границы раздела между железом и магнетитом

В данной работе проведено моделирование атомной структуры границы раздела между металлическим железом и его оксидом Fe₃O₄ (магнетитом). Такие границы возникают, например, при формировании оксидного слоя на поверхностях труб из ферритно-мартенситных сталей, используемых для защиты от высокотемпературной коррозии в агрессивных кислородосодержащих средах, в частности – в среде жидкого свинца и свинцово-висмутовой эвтектики, которые рассматриваются в качестве теплоносителей в перспективных реакторах на быстрых нейтронах. В рамках исследования были рассмотрены теоретически возможные варианты когерентного поверхностного сопряжения кристаллических решеток железа и магнетита и проведены оценки энергий образования соответствующих поверхностей раздела с использованием первопринципных расчетов и различных потенциалов межатомного взаимодействия. В результате расчетов удалось идентифицировать атомное строение границ раздела между железом и магнетитом, выявить конфигурации с минимальной энергией для каждого использованного потенциала, а также определить наиболее подходящий потенциал межатомного взаимодействия для дальнейших исследований влияния облучения на границу раздела «железо-магнетит».

1. Исаев Р.Ш., Джумаев П.С. Взаимодействие хромового покрытия с оболочкой ТВЭЛа из стали ЭП823-Ш в диапазоне температур 420–650 °С // Вестник НИЯУ МИФИ, 2024. Т. 13. №4. С. 273-281. doi.org/10.26583/vestnik.2024.354

2. Martinelli L., Jean-Louis C., Fanny B. C. Oxidation of steels in liquid lead bismuth: Oxygen control to achieve efficient corrosion protection // Nuclear Engineering and Design, 2011. V. 241. №. 5. С. 1288-1294. doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.07.039

3. Чичеватов Г.Д., Стегайлов В.В. Точечные дефекты в шпинелях FeMe2O4 (Me = Fe, Cr): исследование в рамках метода DFT+U // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2024. Т. 166. №3. C. 347-373. doi.org/10.31857/S0044451024090062

4. Martinelli L., Balbaud-Célérier F. Modelling of the oxide scale formation on Fe-Cr steel during exposure in liquid lead-bismuth eutectic in the 450–600 °C temperature range // Materials and Corrosion, 2011. V. 62. P. 531-542. doi.org/10.1002/maco.201005871

5. Davenport A. J., Oblonsky L. J., Ryan M. P., Toney M. F. The Structure of the Passive Film That Forms on Iron in Aqueous Environments // Journal of The Electrochemical Society, 2000. V. 147. Iss. 6. P. 2162-2173. doi.org/10.1149/1.1393502

6. Pentcheva R., Wendler F., Meyerheim H. L., Moritz W., Jedrecy N. and Scheffler M. Jahn-Teller Stabilization of a Polar Metal Oxide Surface: Fe3O4 // Physical Review Letters, 2005. V. 94. 126101. doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.126101

7. Forti M.D., Alonso P.R., Gargano P.H., Balbuena P.B., Rubiolo G.H. A DFT study of atomic structure and adhesion at the Fe (BCC)/Fe3O4 interfaces // Surface Science, 2016. V. 647. P. 55-65. doi.org/10.1016/j.susc.2015.12.013

8. Forti M.D., Alonso P.R., Gargano P.H., Rubiolo G.H. Adhesion Energy of the Fe(BCC)/Magnetite Interface within the DFT Approach // Procedia Materials Science, 2015. V.8. P.1066-1072. doi.org/10.1016/j.mspro.2015.04.169

9. Rowan A., Patterson C., Gasparov L. Hybrid density functional theory applied to magnetite: Crystal structure, charge order, and phonons // Physical Review B, 2009. V.79. P. 1–18. doi.org/10.1103/PhysRevB.79.205103

10. Zhang Z., Satpathy S. Electron states, magnetism, and the Verwey transition in magnetite // Physical Review B, 1991. V. 44. P. 13319–13331.doi.org/10.1103/PhysRevB.44.13319

11. Koch W., Holthausen M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2nd Ed. Wiley-WCH: Weinheim, 2001. 293 p. doi.org/10.1002/3527600043

12. Aryanpour M., van Duin A.C.T., Kubicki J.D. Development of a Reactive Force Field for Iron−Oxyhydroxide System // The Journal of Physical Chemistry A, 2010. V. 114. Iss. 21. P. 6298–6307. doi/10.1021/jp101332k

13. Pitman M.C.,van Duin A.C.T. Dynamics of Confined Reactive Water in Smectite Clay–Zeolite Composites // Journal of the American Chemical Society, 2012. V. 134. № 6. P. 3042–3053. doi.org/10.1021/ja208894m

14. Shin Y.K., Kwak H., Vasenkov A.V., Sengupta D., van Duin A.C.T. Development of a ReaxFF Reactive Force Field for Fe/Cr/O/S and Application to Oxidation of Butane over a Pyrite-Covered Cr2O3 Catalyst // ACS Catal, 2015. V. 5 (12). P. 7226–7236. doi.org/10.1021/acscatal.5b01766

15. Ziegler J.F., Biersack J.P., Littmark U. The stopping and range of ions in solids. New York: Pergamon, 1985. 321 p.

16. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // Journal of Computational Physics, 1995. V. 117. I. 1. P. 1–19. doi.org/10.1006/jcph.1995.1039

17. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Physical Review B, 1999. V. 59. P. 1758. doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758

18. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Physical Review Letters, 1996. V. 77. P. 3865. doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

19. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin zone integrations // Physical Review B, 1976. V.13. P. 5188 – 5192. doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188

20. Hirel P. Atomsk: A tool for manipulating and converting atomic data files // Computer Physics Communications, 2015. V. 197. P. 212–219. doi.org/10.1016/j.cpc.2015.07.012

21. Wechsler B.A., Lindsley D.H., Prewitt C.T. Crystal structure and cation distribution in titanomagnetites (Fe3-xTixO4) // American Mineralogist, 1984. V. 69. Iss. 7-8. P. 754–770.

22. Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the Open Visualization Tool Modelling // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering , 2010. V. 18. Iss. 1. Article id. 015012. doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012