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Hexagonal close-packed iron hydride behind the conventional phase diagram

従来の相図に隠されたhcp鉄水素化物

町田 晃彦*; 齋藤 寛之*; 服部 高典; 佐野 亜沙美; 舟越 賢一*; 佐藤 豊人*; 折茂 慎一*; 青木 勝敏*

Machida, Akihiko*; Saito, Hiroyuki*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Funakoshi, Kenichi*; Sato, Toyoto*; Orimo, Shinichi*; Aoki, Katsutoshi*

hcp金属Feは、地球の内核に相当する温度圧力条件を含む広い範囲の温度(T)および圧力(P)条件で安定に存在するが、hcp鉄水素化物FeHxは、従来のFe-H系の相図には存在しない。温度298-1073K、水素圧4-7GPaにおけるその場X線および中性子回折実験を行った結果、x$$<$$0.6の範囲でhcp鉄水素化物が生成されることを明らかにした。水素原子は、ホスト金属格子の八面体サイトを部分的にランダムにも占めていた。またHの侵入による体積膨張は、1水素当り2.48(5) $AA $^{3}$$であり、面心立方(fcc)鉄水素化物のものより大きかった。hcp水素化物は、fcc水素化物と異なり、その水素組成xは温度とともに増大した。本研究は、広範囲のx-T-P領域にわたるFe-H系のさらなる調査のための手引きを提供する。

Hexagonal close-packed iron hydride, hcp FeHx, is absent from the conventional phase diagram of the Fe-H system, although hcp metallic Fe exists stably over extensive temperature ($$T$$) and pressure ($$P$$) conditions, including those corresponding to the Earth's inner core. ${{it In situ}}$ X-ray and neutron diffraction measurements at temperatures ranging from 298 to 1073 K and H pressures ranging from 4 to 7 GPa revealed that the hcp hydride was formed for FeH$$_{x}$$ compositions when $$x < 0.6$$. Hydrogen atoms occupied the octahedral interstitial sites of the host metal lattice both partially and randomly. The hcp hydride exhibited a H-induced volume expansion of 2.48(5) $AA $^{3}$$/H-atom, which was larger than that of the face-centered cubic (fcc) hydride. The hcp hydride showed an increase in $$x$$ with $$T$$, whereas the fcc hydride showed a corresponding decrease. The present study provides guidance for further investigations of the Fe-H system over an extensive $$x$$-$$T$$-$$P$$ region.

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