不同温度和压力条件下钨表面性质的研究

《Surface Science》：Study of the tungsten surface properties at various temperatures and pressures

　　

摘要 表面能是晶体最重要的参数之一，决定了晶体的强度、粘附和腐蚀性能。然而，实验测定表面能是一项非常困难的任务，仅在常压和高温下才能实现。因此，表面能的理论预测受到了广泛关注。本研究采用解析方法研究了钨（W）在不同温度T和压力P下的表面性质。该方法基于配对的原子间四参数Mie-Lennard-Jones势，同时考虑了金属晶格和电子子系统的贡献。在该方法的框架下，首次计算了钨比表面能及其在温度和压力下的导数的体积和温度依赖关系。这使得我们能够研究钨表面性质在各种P-T条件下的变化，并确定在哪些P-T区域电子子系统对表面性质的影响是显著的。引言 钨（W）在常压下具有金属中最高的熔点：Tm(P=1 bar) = 3687±7 K [1] – 3695 K [2]。除了高熔点外，钨还具有高温强度高、热导率优异、溅射产额低和热膨胀系数低等独特性质。正因如此，钨及其与金属的合金被广泛应用于高温工作的设备中。钨也是磁约束核聚变装置中等离子体面向材料最具前景的候选材料之一[2]。钨的表面性质已经得到了长期研究[3,4]，然而其比表面能（σ，单位面积）的温度依赖关系仍然存在争议[5,6]。在本工作中，使用了[7,8,9,10,11]中介绍的解析方法来研究不同温度（T）和压力（P）下钨的表面性质。与[5,6]中使用的计算机模拟不同，我们的解析方法不需要大量计算机时间的消耗。同时，正如[7,8,9,10,11]和本论文所示，我们的方法在计算各种性质的精度上不亚于计算机模拟。这使得我们的方法在快速工程计算各种P-T条件下金属性质方面具有前景。电子子系统对难熔金属起着重要作用。因此，在本工作中，开发了一种方法来正确考虑电子子系统对钨性质的影响。此外，在本工作中，首次研究了在等温增加压力和等压增加温度情况下钨的σ函数的变化。方法片段 方法学 我们用来计算单组分晶体性质的解析方法在参考文献[7,8,9,10,11]中进行了详细描述。在该方法中，配对的原子间相互作用用四参数Mie-Lennard-Jones势来描述：φ(r)=D(b?a)[a(r?/r)^b ? b(r?/r)^a] 其中D和r?分别为势阱深度和势最小值坐标，b和a为数值参数，满足b > a > 1，r为原子中心之间的距离。使用的表达式为 原子间势参数的确定 已知钨（W，原子量m(W) = 183.85 a.m.u.；Z = 74；[Xe]4f1?5d?6s2）具有体心立方（bcc）结构（kn = 8，kp = 0.6802），并且在达到527 GPa之前不会发生多晶相变[18]。对于bcc-W，配对的原子间势(1)的参数最初由[19]中描述的方法确定。然而，由此获得的bcc-W的r?、D、b和a值未能使我们获得计算结果之间良好的一致性。讨论 为了确定比表面能，考虑一个由N个相同原子组成的凝聚态纳米系统，该系统由一个表面所界定。为了将平衡和可逆热力学方法应用于这样的系统，我们必须假设系统表面是一个没有厚度的几何Gibbs面。如果我们假设表面层具有一定的厚度，那么这将给系统体积的计算引入不确定性，并且会引发关于表面方面的问题。结论 使用基于四参数Mie-Lennard-Jones势的解析方法计算了bcc-W的性质。结果表明，由该解析方法计算的状态方程、弹性模量、热膨胀系数和等压比热容的依赖关系与实验数据吻合良好。首次在各种P-T条件下计算了bcc-W的表面性质：比表面能σ以及σ函数的导数。数据可用性 本文使用的所有数据均可在文献中找到。CRediT作者贡献声明 Mahach N. Magomedov：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。利益冲突声明 作者声明他不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能已经出现并影响本文所报道的工作。致谢 作者感谢S. P. Kramynin、K. N. Magomedov和Z. M. Surkhayeva在讨论和工作中的有益讨论与协助。本研究由俄罗斯科学基金会资助（第25-23-00001号，https://rscf.ru/en/project/25-23-00001/）。Mahach N. Magomedov 俄罗斯科学院高温联合研究所地热研究与可再生能源研究所，达吉斯坦共和国马哈奇卡拉市沙米尔街39-a号，俄罗斯，邮编367030。