21
Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016 Ab initio modeling of materials with defects Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational Materials Science Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences Kraków

Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

  • Upload
    others

  • View
    15

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Ab initio modeling of materials with defects

Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok

Computational Materials ScienceInstitute of Nuclear PhysicsPolish Academy of Sciences

Kraków

Page 2: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Outline

Method - density functional theory

Defects in crystals

Influence on materials properties

Irradiation defects

Page 3: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Density functional theory (DFT)

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Etot [n]=EK [n ]+Eext [n ]+EH [n]+Exc[n]=min

(−ℏ

2∇

2

2m+VKS)ψ i=ϵi ψi

n( r⃗ )=∑i

|ψi( r⃗ )|2

VKS=Vext+VH+Vxc

Page 4: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Density functional theory (DFT)

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Etot [n]=EK [n ]+Eext [n ]+EH [n]+Exc[n]=min

(−ℏ

2∇

2

2m+VKS)ψ i=ϵi ψi

n( r⃗ )=∑i

|ψi( r⃗ )|2

VKS=Vext+VH+Vxc

Page 5: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Density functional theory (DFT)

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Etot [n]=EK [n ]+Eext [n ]+EH [n]+Exc[n]=min

(−ℏ

2∇

2

2m+VKS)ψ i=ϵi ψi

n( r⃗ )=∑i

|ψi( r⃗ )|2

VKS=Vext+VH+Vxc

Electronic structure and magnetic properties Lattice parameters and atomic positions Interatomic forces and stress tensor Elastic and mechanical properties Lattice dynamical properties Molecular dynamics

Page 6: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Crystal defects

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Point defects - vacancy (Schottky defect) - interstitial atom - Frenkel defect (vacancy and interstitial) - impurity - antisite Linear defects - dislocation (edge, screw)

Planar defects - grain boundary - antiphase boundary - stacking fault - twin boundary

Bulk defects - pores, cracks, inclusions - clusters of vacancies (voids) - clusters of impurities (precipitates)

Page 7: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Point defects

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Ef=EN−1−N−1

NEN

S. L. Dudarev, Annu. Rev. Mater. Res. 43, 35 (2013)

Vacancy formation energy

EN−totalenergyof N atoms

EN−1−total energyof N−1 atoms

Page 8: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Point defects

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Ef=EN−1−N−1

NEN

S. L. Dudarev, Annu. Rev. Mater. Res. 43, 35 (2013)

vacancy

EN−totalenergyof N atoms

EN−1−total energyof N−1 atoms

Vacancy formation energy

Page 9: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Point defects

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Ef=EN−1−N−1

NEN

S. L. Dudarev, Annu. Rev. Mater. Res. 43, 35 (2013)

vacancyinterstitial

EN−totalenergyof N atoms

EN−1−total energyof N−1 atoms

Vacancy formation energy

Page 10: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Point defects

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Ef=EN−1−N−1

NEN

S. L. Dudarev, Annu. Rev. Mater. Res. 43, 35 (2013)

vacancyinterstitial

impurityEN−totalenergyof N atoms

EN−1−total energyof N−1 atoms

Vacancy formation energy

Page 11: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Point defects in alloys

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

M. Muzyk, D. Nguyen-Manh, K. J. Kurzydłowski, N. L. Baluc, S. L. Dudarev, Phys. Rev. B 84, 104115 (2011)

Formation energies of vacancies in alloys depend on chemical composition, local atomic environment and lattice site

Page 12: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Iron oxide – defect clusters

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Fe1-xO x~0.05-0.15Energy formation of Fe vacancies and clusters Ef < 0

Page 13: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Iron oxide – defect clusters

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Cluster 4:14 Fe vacancies1 Fe interstitial

Fe1-xO x~0.05-0.15Energy formation of Fe vacancies and clusters Ef < 0

Page 14: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Iron oxide – defect clusters

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Cluster 4:14 Fe vacancies1 Fe interstitial

Clusters accumulateand creat largerdefect structures

Fe1-xO x~0.05-0.15Energy formation of Fe vacancies and clusters Ef < 0

Page 15: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Iron oxide – electronic structure

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Vacancies and interstitial Fe atoms introduce additional electronic states and strongly modify the band structure

Fe3+

Fe2+

Page 16: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Iron oxide - dielectric properties

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

U. D. Wdowik, P. Piekarz, P. T. Jochym, K. Parlinski, A. M. Oleś, Phys. Rev. B 91, 195111 (2015)

The optical gap, dielectric functions and phonon infrared absorption depend on the concentration of defects x

Page 17: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Silicon carbide SiC

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

SiC - a wide band gap semiconductor isa promising material for high-voltage and high-frequency nanoelectronic devices:

- high values of breakdown voltage- high charge carrier mobility- high temperature stability - high thermal conductivity - very good mechanical properties - resistance to radiation damage

The electronic properties of epitaxial layers strongly depend on the material quality. The presence of intrinsic defects and impurities which arise during crystal growth process substantially limit applications of SiC

Application in fusion power plant: use of SiC flow channel inserts (FCI) as electrical and thermal insulator in the Dual Coolant Lithium Lead (DCLL) blanket

Page 18: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Defect-induced magnetism in neutron irradiated SiC

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

The intentionally created defects dominated by divacancies (VSiVC) are responsible for the

observed magnetism in the SiC single crystal

DFT calulations: the vacancy-induced electronic states show spin polarization

Y. Liu et al. Phys. Rev. Lett. 106, 087205 (2011)

Page 19: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Dislocations in SiC

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

J. Łażewski, P. T. Jochym, P. Piekarz, M. Sternik, K. Parlinski, J. Cholewiński, P. Dłużewski, S. Krukowski, arXiv:1502.00309

Edge dislocations induce the electronicstates in the gap and modify charge density and electrostatic potential

Pair of edge dislocations in SiCwith opposite Burgers vectors

Page 20: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Helium from transmutation reactions

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Neutron irradiation with energy 14 MeV produce large amount of helium and hydrogen from transmutation reactions. High He concentrations induce bubble formation, void swelling, and changes in microstructural and mechanical properties such as high temperature embrittlement

T. Tamura, R. Kobayashi, S. Ogata, A. M. Ito, Model. Sim. Mater. Sci. Eng., 22, 015002 (2014)

Optimized atomic configurations andelectron-density isosurfaces for the system containing 6-He and 1-H atoms

Page 21: Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski ... · Przemysław Piekarz, Krzysztof Parlinski, Jan Łażewski, Paweł T. Jochym, Małgorzata Sternik, Andrzej Ptok Computational

Workshop IFMIF/ELAMAT Rzeszów 14-15.04.2016

Conclusions

Crystal defects modify physical properties of materials: crystal structure, electronic structure, transport properties, lattice dynamics, thermo-elastic properties

Ab initio calculations based on the density functional theory (DFT) provide information about the formation energies, structure of nanoscale defects, short-range interactions, clustering of defects and their migration (often not available from experiments)

From DFT calculations we can obtain the structure of radiation damage, energy of interaction between radiation defects and impurities, activation energies, dynamics of migration, clustering of radiation defects

DFT can provide the input parameters to other methods:Monte Carlo, molecular dynamics, cluster expansion, …