稀土Ce在α-Fe中占位倾向与作用机理的密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),计算了Ce原子在α-Fe晶内、晶界和自由表面的杂质形成能,在此基础上,研究了稀土元素Ce在α-Fe中的占位倾向,并根据Rice-Wang热力学模型讨论了Ce元素在晶界的韧脆化作用。结果表明:Ce倾向于偏聚在α-Fe晶界区,此外,Ce在晶界和自由表面的杂质形成能之差小于零。α-Fe晶界掺杂Ce前后的电子结构显示,Ce占位于晶界后,为掺杂区提供了更多的电子用于成键,与晶界上相邻Fe原子的作用加强,使掺杂区产生由金属键向离子键变化的趋势,也使晶界上Fe原子的成键态能量比重增加,从而增强了掺杂区原子之间的结合能力。同时,Ce加入后与晶界上Fe原子外层轨道发生较为强烈的相互作用,并使晶界上的原子成键区态密度左移,降低了体系总能量。