金红石中过渡金属异常扩散的起源
材料科学
2017-08-09 v1
摘要
掺杂剂在金红石中的扩散是决定许多使用金红石的器件性能的基本过程。已知扩散行为高度依赖于样品，但其原因尚不十分清楚。本文利用第一性原理计算研究金红石，以揭示不同掺杂元素呈现多样化扩散行为的微观起源。发现了沿 [001] 方向开放通道中的异常扩散行为：较大的原子（包括 Sc 和 Zr）通过间隙机制扩散的能垒较低，这显然与其已知的缓慢扩散速率相矛盾。为解决这一矛盾，我们提出了一个大尺寸掺杂剂在金红石中总体扩散速率的替代模型，表明平行于 [001] 通道的方向上，扩散受限于间隙态的形成，而在垂直于 [001] 的方向上，扩散通过踢出机制进行。相比之下，Co 和 Ni 倾向于停留在金红石的间隙位，并在 [001] 通道中具有非常小的迁移势垒，呈现常规扩散。这导致了高度各向异性和快速的扩散。本研究发现的各种扩散机制能够解释实验测量的扩散数据，这些发现为这一经典扩散课题提供了新的理解。
引用
@article{arxiv.1708.01445,
title = {Origin of the abnormal diffusion of transition metal in rutile},
author = {Linggang Zhu and Graeme J. Ackland and Qing-Miao Hu and Jian Zhou and Zhimei Sun},
journal= {arXiv preprint arXiv:1708.01445},
year = {2017}
}