К. ф.-м. н., доц. Матвеев А. В.

Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, Россия

Моделирование сегрегации атомов и расчет энергетических характеристик поверхности Al-Li сплавов

Актуальные вопросы металловедения сплавов на основе алюминия, содержащих Li, в значительной степени связаны с определением содержания Li и выяснением закономерностей его распределения в поверхностных слоях. Кроме того, при разработке элементов изделий микро- и наноэлектроники, химических источников токов, капиллярных аккумуляторов энергии и т.д. необходимы данные о влиянии диэлектрических сред на поверхностные характеристики металлических сплавов. Сплавы Al-Li являются неудобным объектом для экспериментального исследования, поскольку легкие элементы (Li) трудны для детектирования. В связи с этим моделирование и теоретические расчеты характеристик Al-Li сплавов представляют значительные интерес.

В данной работе проведены оценки поверхностных и энергетических характеристик сплавов алюминия с литием в зависимости от диэлектрической проницаемости контактной среды. Нами обобщена ранее разработанная модель поверхностной сегрегации в бинарных сплавах [1-3]. В обобщенной модели мы учли влияние диэлектрических свойств граничащей с металлическими сплавами среды на характеристики их рабочей поверхности. На основе данной модели осуществлен самосогласованный расчет поверхностной сегрегации Al-Li сплавов с учетом эффектов решеточной релаксации поверхности, получены и проанализированы концентрационные зависимости поверхностной энергии σ и работы выхода электронов Φ с учетом эффектов поверхностной сегрегации и диэлектрических свойств контактной среды.

Использованный в работе метод функционала электронной плотности [2] состоял в решении вариационной задачи о нахождении минимума свободной энергии неоднородной системы электронов, рассматриваемой на фоне заданного положительного заряда. В качестве пробных функций электронного распределения были выбраны решения линеаризованного уравнения Томаса-Ферми, а вариационными параметрами являлись обратная длина экранирования β, величины смещения приповерхностных ионных плоскостей δ_i (i = 1, 2,..), изменение концентрации компонентов бинарного сплава на поверхности в результате сегрегации κ. Ознакомиться с методикой расчета поверхностной энергии бинарного сплава, функции работы выхода электронов и самой моделью поверхностной сегрегации можно в наших работах [1-5].

В качестве примера, в таблице приведены основные характеристики плотноупакованной монокристаллической поверхности сплава Al_xLi_1–x эквиатомного состава (x = 0.5), рассчитанные нами для разных значений диэлектрической проницаемости контактной среды: ε = 1 (вакуум), ε ≈ 1.4 (сжиженные бутадиен, бутан, пропан), ε ≈ 2 (н-гексан, н-гептан, циклогексан, керосин, бензин, бензол, толуол, нефтяные масла, бутадиеновый каучук), ε ≈ 3 (гексахлорбутадиен, вазелин, кварцевые стекла). Строки со значением 1–X_S = 0.5 содержат результаты моделирования без учета эффектов поверхностной сегрегации (X_S=x), остальные – с учетом этих эффектов. Учет эффектов поверхностной релаксации соответствует ненулевым значениям параметра δ. Жирным шрифтом выделены значения характеристик, рассчитанные с учетом эффектов поверхностной сегрегации и поверхностной релаксации.

Таблица. Результаты модельных расчетов для сплава Al-Li эквиатомного состава

ε	1–XS	β, Å	δ, Å	σ, мДж/м^2	Φ, эВ
1	0.5	0.56	0	745	4.47
	0.5	0.55	0.02	737	3.95
	0.70	0.58	0	672	4.25
	0.69	0.57	0.01	671	4.06
1.4	0.5	0.59	0	707	4.18
	0.5	0.57	0.02	700	3.69
	0.71	0.60	0	635	3.97
	0.70	0.60	0.01	634	3.76
2	0.5	0.60	0	706	4.08
	0.5	0.58	0.02	698	3.58
	0.72	0.61	0	629	3.84
	0.72	0.61	0.01	628	3.62
3	0.5	0.59	0	743	4.06
	0.5	0.58	0.02	732	3.52
	0.76	0.62	0	649	3.70
	0.75	0.62	0.01	648	3.50

Для сплавов Al-Li всех концентраций выявлены эффекты поверхностной сегрегации с обогащением поверхностного слоя атомами Li (1–X_S > 1–x). Причем для сплавов с небольшим содержанием Li (x > 0.8), почти все атомы Li из приповерхностных слоев мигрируют на поверхность. Данные выводы подтверждаются экспериментальными исследованиями [3]. Нами также выявлены закономерности распределения атомов Li в зависимости от диэлектрической проницаемости контактной среды. Рассчитанные концентрационные профили свидетельствуют об увеличении поверхностной сегрегации Li с ростом ε (1–X_S в табл.) и о слабой зависимости поверхностной релаксации от ε (δ в табл.). Для энергетических характеристик поверхности сплава Al-Li выявлена их сильная зависимость от ε среды – работа выхода Φ с ростом ε монотонно уменьшается, поверхностная энергия σ имеет минимум при ε ≈ 2 (для сплавов всех концентраций).

Результаты проведенных расчетов поверхностных и энергетических характеристик Al-Li сплавов могут найти практическое применение в авиационной технике, в металлургии и автомобильной промышленности, в гетерогенном катализе при изготовлении катализаторов для химической и нефтяной промышленности.

Литература:

1. Матвеев А.В. Физико-математическая модель поверхностной сегрегации в бинарных сплавах переходных металлов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2013. № 8. С. 75-85.

2. Матвеев А.В. Моделирование поверхностной сегрегации атомов металлов в бинарных сплавах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2012. Т. 14. № 3. С. 360-378.

3. Матвеев А.В. Поверхностная сегрегация в бинарных сплавах переходных металлов: моделирование и сравнение с экспериментом // Вестник Омского университета. 2011. № 4. С. 80-91.

4. Матвеев А.В. Расчет энергии сегрегации атомов металлов в бинарных сплавах на основе палладия // Вестник Омского университета. 2012. № 2. С. 94-100.

5. Матвеев А.В. Обобщенная модель поверхностной сегрегации с учетом диэлектрических свойств среды: щелочные металлы и сплавы // Вестник Омского университета. 2013. № 4. С. 91-101.