分子軌道法によるイオン注入材の電子状態の評価

Evaluation of electronic states of implanted materials by molecular orbital calculation

斉藤 淳一  ; 加納 茂機

Saito, Junichi; Kano, Shigeki

セラミックスおよび金属材料のナトリウム耐食性に及ぼすイオン注入の効果を明らかにするために、分子軌道法の一つであるDV-Xaクラスター法を用いてイオン注入材の電子状態を計算した。計算の対象とした材料はセラミックスがb-Si3N4, a-SiCおよびb-SiC、金属材料がf.c.c. Fe, b.c.c. Feおよびb.c.c. Nbである。セラミックスへの注入原子としてFe, MoおよびHf原子、金属材料への注入原子としてN原子をそれぞれ選択した。それらの金属元素はこれまでの実験から液体ナトリウム中で優れた耐食性を示すことが知られている。その結果の要約を下記に示す。 セラミックス材料では注入原子のエネルギーレベルはバンドギャップ中に現われた。電荷移行量を示すイオン性や原子間の結合力を表わす結合次数が基材や注入元素により変化した。b-Si3N4は注入原子によりイオン性は小さくなり、イオン結合性が低下した。イオン性の減少量は注入原子に依存し、Hfイオンを注入したとき最も減少した。また、b-Si3N4とa-SiCは注入原子により結合次数が減少した。b-SiCの侵入サイトに注入原子が入った場合、イオン性が減少し結合次数が増加した。 金属材料にN原子を注入した場合、N原子のs,p電子の状態密度は低いエネルギーレベルに現われていた。周りの金属原子からN原子へ電荷移行が起きているため、N原子のイオン性は大きくなっていた。N原子の注入により、母金属同士の結合次数は減少した。特にb.c.c. Feとb.c.c. Nbで顕著であった。そのため、クラスター全体の結合次数はf.c.c. Feを除き大きく減少した。 以上の計算結果から、b-Si3N4は注入原子によりイオン結合性が低下するため、耐食性の向上が期待できる。a-SiCとb-SiCは注入原子が侵入サイトに入った場合にイオン結合性が低下するため、耐食性の改善する可能性がある。注入原子の中ではHf原子が最も効果のあることが明らかになった。f.c.c. FeでN注入によりFe原子とN原子間の共有結合が増加したため、f.c.c. Feのナトリウム耐食性の向上が期待できることがわかった。

In order to understand the effect of implanted atom in ceramics and metals on the sodium corrosion, the electronic structures of un-implanted and implanted materials were calculated using DV-X cluster method which was one of molecular orbital calculations. The calculated materials were -SiN, -SiC and -SiC as ceramics, and f.c.c.Fe, b.c.c.Fe and b.c.c. Nb as metals. An Fe, Mo and Hf atom for ceramics, and N atom for metals were selected as implanted atoms. It is known that these metallic elements have exhibited the excellent corrosion resistance against liquid sodium in previous experiments. The summary of results is shown as follows. Energy levels of implanted atom appeared in or near energy band gap in ceramics. The change of ionicities of each element which showed amount of transferred charges and bond order which showed the covalent bond strength between atoms depended on substrates and implanted atoms. The strength of ionic bonding between atoms reduced in -SiN, as ionicities of constituent atom decreased by the implanted atom. The decreases of ionicity depended on implanted atoms and Hf implantation showed the largest decrease in implanted atoms. The bond order in -SiN and -SiC decreased by the implantation. When the implanted atom occupied at substitutional site in -SiC, the ionicities decreased but the bond order increased. Electron state densities of s and p components of implanted N atom appeared lower energy level than that of d component of constituent Fe (or Nb) atoms. The charge transfer took place to N atom from surrounding Fe (or Nb) atoms. Thus the ionicity of N atom was larger than mother metal. The bond order between mother elements reduced by N implantation. In particularly, there were significant decreases of bond order in b.c.c. Fe and b.c.c. Nb. Hence, the bond order in whole cluster decreased largely except for f.c.c. Fe. Consequently, it is ...