Evaluación de caminos de difusión de Al en UAl4

Abstract

Obtenida la estructura de defectos puntuales estables y las concentraciones de defectos en equilibrio térmicopara cada composición de Al del compuesto UAl4 previamente, identificamos en este trabajo los mecanismosmás probables de difusión de Al en UAl4, y analizamos los estados de transición en la difusión de Al en UAl4mediante el método Nudged Elastic Band (NEB) implementado en el código VASP. Calculamos utilizandométodos de primeros principios la variación de la energía total del compuesto en función del camino de difusióndel aluminio, con el objetivo de encontrar los puntos de ensilladura para pasar entre dos posiciones de equilibrioy así obtener el camino de mínima energía para la difusión. Esto nos permitió proponer dos mecanismos másprobables para la difusión de átomos de Al en el lado rico en Al del intermetálico: mecanismo de puente antiestructural(ASB) y mecanismo de vacancia entre sitios primeros vecinos de aluminio Al1 (NN). Al calcular laenergía de migración para ambos mecanismos conseguimos estimar ambas energías de activación. La energíade activación del mecanismo ASB resultó menor que la del mecanismo NN pero el primer mecanismo fue desestimadopor dos motivos: por un lado la energía de activación es la mitad de la observada experimentalmente ypor otro lado, siguiendo la literatura, el mecanismo ASB necesita una concentración umbral de antisitios relativamentealta para que el camino de difusión resulte de largo alcance.En base a todos los resultados y discusiones realizados, proponemos que el mecanismo de difusión de aluminioen UAl4 ocurre por el mecanismo NN con una energía de activación de 1.90 eV que compara relativamente biencon el valor 2.06 eV observado experimentalmente, o con el valor 2.17 eV obtenido previamente utilizando unmodelo semi-empírico.

Once the stable structure of point defects and concentrations of defects in thermal equilibrium were obtained for each composition of Al of the compound UAl4, we identified, in this work, the more likely mechanisms for Al mobility in UAl4, and we analyzed transition states in the diffusion of Al in UAl4 by the Nudged Elastic Band (NEB) method implemented in VASP code. Using first principles methods, we have calculated the compound total energy variation according to the migration path of aluminum, in order to find the saddle points between two equilibrium positions and to obtain the minimum migration energy path. This allowed us to propose two most likely mechanisms for the diffusion of Al atoms in the Al-rich side of the intermetallic: antistructural bridge mechanism (ASB) and vacancy mechanism between first neighbors aluminum Al1 sites (NN). When calculating the energy of migration for both mechanisms we estimated both activation energies. The activation energy of ASB mechanism was lower than the NN mechanism but the first mechanism was dismissed for two reasons: on one hand, the activation energy is half the experimentally observed and on the other hand, according to literature, the ASB mechanism needs a threshold antisite concentration relatively high so that the diffusion path results a long-range one. Based on all results and discussions we propose that the aluminum diffusion mechanism occurs in UAl4 by means of NN mechanism with an activation energy of 1.90 eV which compares relatively well with the experimentally observed value of 2.06 eV, or the value of 2.17 eV previously obtained using a semi-empirical model.