Two distinct non-Arrhenius behaviors of hydrogen diffusivities in fcc aluminum, silver, and copper determined by path integral simulations

経路積分シミュレーションによって決定されたfccアルミニウム,銀、および銅の水素拡散係数の2つの異なる非アレニウス挙動

君塚 肇*; 志賀 基之   

Kimizuka, Hajime*; Shiga, Motoyuki

金属内部における水素の動的挙動において、核量子効果は無視できない因子である。本研究では、核量子効果を考慮した第一原理積分分子動力学シミュレーションを用いて、面心立方金属Al, Ag, Cuにおける水素拡散を調べた。その結果、AgとCuにおける水素拡散の温度依存性は逆S字型の曲線となるのに対して、Alにおける水素拡散の温度依存性はC字型となることがわかった。この違いは、水素が最安定となる位置がAg, Cuでは八面体サイト、Alでは四面体サイトであることに由来する。このことから、水素拡散の核量子効果(零点振動とトンネリング)は安定サイトの異なる金属によって質的に異なることがわかった。

Nuclear quantum effects are a non-negligible factor in the dynamic behavior of hydrogen in metals. In this study, we investigated the hydrogen diffusion in the face-centered cubic metals Al, Ag, and Cu using a first-principles integral molecular dynamics simulation that takes into account the nuclear quantum effects. It was found that the temperature dependence of hydrogen diffusion in Ag and Cu is inverted S-shaped, while the temperature dependence of hydrogen diffusion in Al is C-shaped. This difference is due to the fact that the most stable position of hydrogen is the octahedral site in Ag and Cu, while it is the tetrahedral site in Al. Therefore, it is found that the nuclear quantum effects of hydrogen diffusion (zero-point oscillation and tunneling) differ qualitatively depending on metals with different stable sites.