Mechanism of fast lattice diffusion of hydrogen in palladium; Interplay of quantum fluctuations and lattice strain

パラジウム中の水素の高速格子拡散機構; 量子揺らぎと格子歪みの相互作用

君塚 肇*; 尾方 成信*; 志賀 基之   

Kimizuka, Hajime*; Ogata, Shigenobu*; Shiga, Motoyuki

パラジウム(Pd)中の水素(H)の高い拡散性のメカニズムを理解するため、有限歪み下における電子と核の両方の量子性を考慮した第一原理シミュレーションに基づいて、面心立方晶PdにおけるHの格子間拡散プロセスを研究した。その結果、八面体サイトの核量子効果のために、温度の低下とともに水素移動の活性化障壁が大幅に増加することが明らかになった。しかしながら、拡大した格子歪みのもとでは、四面体サイトがより安定化し、核量子効果はあまり顕著にならなかった。これは、歪みが増加するにつれて、拡散機構が量子的拡散から古典的拡散へ徐々に変化することを意味する。

To understand the mechanism of high diffusivity of hydrogen in palladium, we have studied the process of fast diffusion of interstitial H in face-centered cubic Pd, based on a first principles simulation taking account of quantum mechanical nature of both electrons and nuclei under finite strains. The simulated results revealed that the activation barrier for hydrogen migration was drastically increased with decreasing temperature owing to nuclear quantum effects on the octahedral sites. However, under the lattice expansion, nuclear quantum effects became less important since the tetrahedral site is stabilized. This implies that the diffusion mechanism gradually changes from quantum-like to classical-like as the strain is increased.