Computational analysis on relation between iron surface condition and surface potential change

鉄の表面状態と表面電位変化の関係についての計算解析

五十嵐 誉廣  ; 小松 篤史 ; 山口 正剛   ; 海老原 健一   ; 上野 文義  

Igarashi, Takahiro; Komatsu, Atsushi; Yamaguchi, Masatake; Ebihara, Kenichi; Ueno, Fumiyoshi

近年、温室効果ガスの削減や省エネルギーの観点から、高強度鋼に対する需要が高まっている。一方、高強度鋼は水素脆化感受性が高いという問題がある。水素脆化のメカニズムを明らかにするためには、鋼中の水素分布を評価することは重要な課題の1つである。最近、金属表面への水素吸着による表面電位低下から水素分布を評価する方法が用いられている。しかしそのメカニズムは不明である。本研究では、水素原子による鉄の表面電位低下機構を解明するために、密度汎関数理論(DFT)計算法による表面電位変化と電気双極子モーメント解析を行った。鉄の表面方位は(100)方向、表面状態は清浄表面と酸素吸着表面の2種類を定義した。解析の結果、酸素原子吸着表面上の吸着水素があるときに表面電位が減少することがわかった。また、表面電位変化と電気双極子モーメントとの間に明確な負の相関があることがわかった。以上の結果から、表面電位の低下は、水素原子の吸着によって生成された電気双極子が原因の一つであることが示唆された。

Hydrogen embrittlement has become important because of demand for higher strength steel. To clarify the mechanism, it is one of the important issues to evaluate hydrogen distribution in steel. Recently, metal surface potential mapping has used to evaluate hydrogen distribution in metal using surface potential lowering by hydrogen adsorption on metal surface. However, the mechanism of that behavior has been unclear. To elucidate the surface potential lowering mechanism of iron by hydrogen atom, work function and electric dipole moment analysis by density functional theory (DFT) calculation method were carried out. In the study, Fe(100) clean surface and oxygen adsorbed surface were prepared. Hydrogen atoms were adsorbed on surface or penetrated into interior of iron slab in the model. There was a negative correlation between work function and electric dipole. In addition, the surface potential decreased due to hydrogen adsorption on oxygen adsorption surface. It is suggested that electronic state around surface was changed by hydrogen atom adsorption and then surface potential was lowered by the electric dipoles on the surface generated.