Novel approach to explore hydrogen trapping sites in aluminum; Integrating Muon spin relaxation with first-principles calculations

アルミニウム中の水素トラップサイトを探索する新しいアプローチ; ミューオンスピン緩和と第一原理計算の統合

清水 一行*; 西村 克彦*; 松田 健二*; 布村 紀男*; 並木 孝洋*; 土屋 大樹*; 赤丸 悟士*; Lee, S.*; 都留 智仁   ; 髭本 亘  ; 戸田 裕之*

Shimizu, Kazuyuki*; Nishimura, Katsuhiko*; Matsuda, Kenji*; Nunomura, Norio*; Namiki, Takahiro*; Tsuchiya, Taiki*; Akamaru, Satoshi*; Lee, S.*; Tsuru, Tomohito; Higemoto, Wataru; Toda, Hiroyuki*

Al-0.06%Mn、Al-0.06%Cr、Al-0.02%Fe、およびAl-0.02%Ni合金(原子%)について、5300Kの温度範囲でゼロ磁場ミューオンスピン緩和実験を行った。双極子場幅()の温度依存変化から、調製した合金の4つの異なるピークが明らかになった。200K未満で観測されたピークに対応するミューオン捕捉部位の原子構成は、溶質および溶質空孔対に近接する水素の捕捉エネルギーに対する第一原理計算を用いて詳細に特徴付けられた。この包括的な分析により、ミューオンピーク温度と水素捕捉エネルギーの線形相関を確立することができた。しかし、Al-Mn、Al-Cr、Al-Fe、およびAl-Ni合金では、200Kを超えると4番目のピークでこの線形関係からの大幅な逸脱が観測された。この矛盾は、4つのAl原子のうち2つが溶質元素と空孔(溶質空孔対)に置換されている四面体サイト内のミューオンと水素の異なる分布関数を考慮することで解釈できる。

Zero-field muon spin relaxation experiments were conducted on Al-0.06%Mn, Al-0.06%Cr, Al-0.02%Fe, and Al-0.02%Ni alloys (at.%) across the temperature ranging from 5 to 300 K. The temperature-dependent variations of the dipole field widths () elucidated four distinct peaks for the prepared alloys. Atomic configurations of the muon trapping sites corresponding to the observed peaks below 200 K were meticulously characterized utilizing first-principles calculations for the trapping energies of hydrogen in proximity to a solute and solute-vacancy pair. This comprehensive analysis facilitated the establishment of a linear correlation between the muon peak temperature and the hydrogen trapping energy. However, significant deviations from this linear relationship were observed for the fourth peaks above 200 K in Al-Mn, Al-Cr, Al-Fe, and Al-Ni alloys. This discrepancy can be interpreted by considering the disparate distribution functions of muon and hydrogen within the tetrahedral site, wherein two of the four Al atoms are substituted by the solute element and vacancy (solute-vacancy pair).