Density functional calculations for small iron clusters with substitutional phosphorus

P置換したFeクラスターの密度汎関数計算

中沢 哲也; 五十嵐 誉廣  ; 都留 智仁   ; 加治 芳行  ; 實川 資朗

Nakazawa, Tetsuya; Igarashi, Takahiro; Tsuru, Tomohito; Kaji, Yoshiyuki; Jitsukawa, Shiro

鉄において粒界に偏析する不純物はその物理的・化学的特性を著しく変化させることが知られている。その不純物の一つであるPは熱や照射環境のもと粒界に偏析し、粒界割れを引き起こす。本研究では、粒界におけるPとFeの結合特性を理解するため、八面体構造を持つFeクラスターの結合エネルギーや電子構造への置換したPの影響を密度汎関数計算を用いて調べた。Feクラスターの結合エネルギーは置換したPの増加とともに増加している。この増加はFeからPへの電荷移動によるFe-P結合の強化による。一方、計算で得た結合次数はFe-Fe結合の弱体化を示している。照射によるPの偏析で生じる脆化は弱体化したFe-Fe結合と関係していると考えられる。

It is well known that impurities in iron which segregate to grain boundaries can dramatically change physical and chemical properties. Phosphorous, which is one of impurities, segregates at grain boundaries under thermal or irradiation environments, and brings about the intergranual embrittlement. In this study, influences of phosphorus substitutions for binding energies and electronic structures of octahedral iron cluster are investigated computationally using density functional calculations in order to understand the nature of bonding between phosphorus and iron at grain boundaries. The values of binding energies of cluster are increasing with the phosphorous substitutions. The increases are due to Fe-P bond strengthened by the charge transfer from Fe atom to P atom. On the other hand the calculated bond orders give that Fe-Fe bonds are weakened. Thus, the embrittlement induced with the segregation of P due to irradiation is considered to be associated with weakened Fe-Fe bonds.