Примеси кремния в ОЦК-железе: ab-initio моделирование свойств и энергетических параметров

Abstract

В программном пакете WIEN2k проведено первопринципное моделирование равновесной структуры и свойств атомов кремния, растворенных в ОЦК-железе. Для расчетов использовался полнопотенциальный метод линейных присоединенных плоских волн LAPW, с учетом обобщенного градиентного приближения PBE-GGA, в суперячейке из 54 атомов железа с периодическими граничными условиями. Это наиболее точный метод, используемый в рамках теории функционала плотности. В работе определены оптимальные значения основных параметров моделирования, позволяющие рассчитывать энергетические характеристики системы с точностью не менее 0,01 эВ. Энергия растворения кремния в ферромагнитное ОЦК-железе составила –1,19 эВ. Атомы кремния испытывают сильное взаимное отталкивание в первых двух координационных сферах, которое далее является спадающим. После третей координационной сферы отталкивание атомов становится близким к нулю. При растворении кремний не изменяет параметр ОЦК-решетки и не влияет на решетку железа. Магнитный момент атомов железа в первом окружении с 2,23 μB, уменьшается до 2,045 μB. Растворение 1,85 ат. % кремния приводит к уменьшению среднего магнитного момента на атом железа на 0,02 μB и снижению объемного модуля сжатия. The ab initial modeling of the equilibrium structure and properties of silicon atoms in BCC iron is performed in WIEN2k software package. We have investigated iron employing the full potential linear augmented plane-wave LAPW method within the generalized gradient approximation PBEGGA, in the supercell of 54 iron atoms with periodic boundary conditions. This is the most powerful technique in the framework of Density Functional Theory. The optimal values of the basic simulation parameters of silicon impurities in the BCC iron are determined. They allow calculating the energy performance of the system with an accuracy of not less than 0.01 eV. The calculation of energy of dissolution of silicon atoms in the ferromagnetic phase of BCC iron is conducted using the obtained simulation parameters. It amounts to –1.19 eV. Silicon atoms experience a strong mutual repulsion in the first two coordination spheres, which is further decreasing. After the third coordination sphere, the repulsion of the atoms becomes close to zero. During dissolution, silicon does not change the BCC lattice parameter and does not affect the iron lattice. The magnetic moment of iron atoms in the first environment decreases from 2.23 μB to 2.045 μB. Dissolution of 1.85 at. % of silicon leads to a decrease in the average magnetic moment per iron atom by 0.02 μB and a decrease in the bulk modulus of compression.