A DFT study of atomic structure and adhesion at the Fe(BCC)/Fe3O4 interfaces

Forti, Mariano; Alonso, Paula; Gargano, Pablo Hugo; Balbuena, Perla B.; Rubiolo, G.H.

doi:10.1016/j.susc.2015.12.013

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“…[INSERT Figure 12] DFT modelling has been applied to describe the atomic structure at the interface formed by the iron oxide film and metal substrate [155]. For simplicity, the LAMM phase was simulated in this study by the magnetite structure assuming a Fe [100](001)∥Fe3O4 [110](001) epitaxial relationship.…”

Section: Structure Of Oxide Passive Films On Copper Nickel Iron Andmentioning

confidence: 99%

Progress in corrosion science at atomic and nanometric scales

Maurice

Marcus

2018

Progress in Materials Science

173

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Contemporary aspects of corrosion science are reviewed to show how insightful a surface science approach is to understand the mechanisms of corrosion initiation at the atomic and nanometric scales. The review covers experimental approaches using advanced surface analytical techniques applied to single-crystal surfaces of metal and alloys exposed to corrosive aqueous environments in well-controlled conditions and analysed in situ under electrochemical control and/or ex situ by scanning tunnelling microscopy/spectroscopy, atomic force microscopy and x-ray diffraction. Complementary theoretical approaches based on atomistic modeling are also covered. The discussed aspects include the metal-water interfacial structure and the surface reconstruction induced by hydroxide adsorption and formation of 2D (hyd)oxide precursors, the structure alterations accompanying anodic dissolution processes of metals without or with 2D protective layers and selective dissolution (i.e. dealloying) of alloys, the atomic structure, orientation and surface hydroxylation of ultrathin passive films, the role of step edges at the exposed surface of oxide grains on the dissolution of passive films and the effect of grain boundaries in polycrystalline passive films acting as preferential sites of passivity breakdown, the differences in local electronic properties measured at passive films grain boundaries, and the structure of adlayers of organic inhibitor molecules.

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Section: Structure Of Oxide Passive Films On Copper Nickel Iron Andmentioning

confidence: 99%

Progress in corrosion science at atomic and nanometric scales

Maurice

Marcus

2018

Progress in Materials Science

173

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“…Para el caso del ZrO 2 en un ambiente con la cantidad mínima de oxígeno para que se forme el óxido (denominado límite pobre en O) la energía de superficie se calcula, para el caso más general de un óxido del tipo como [16]:…”

Section: Procedimiento De Cálculounclassified

Propiedades de superficies de Zr hexagonal y ZrO2 tetragonal de bajo índice a partir de cálculos DFT

et al. 2018

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RESUMEN El uso de los reactores nucleares como fuente de energía se ha extendido y consolidado en la segunda mitad del siglo XX y en los inicios de este siglo XXI. La continuidad de este recurso depende en gran medida de que las plantas nucleares sean cada vez más seguras y confiables, lo cual implica un mejoramiento de todos los aspectos relacionados con su operación. Entre ellos se cuenta la integridad de los elementos estructurales, que depende fuertemente de la estabilidad mecánica de los óxidos protectores. En las centrales CNA I y CNA II el Zircaloy-4 (aleación base Zr con adiciones de Sn, Fe and Cr) se utiliza en los canales refrigerantes. Sin embargo, esta aleación presenta problemas de corrosión que, por ejemplo, motivaron el reemplazo de los canales refrigerantes de CNA I en 1988. En este trabajo analizamos desde la teoría de la funcional densidad (DFT) las propiedades de superficies de bajo índice de Zr hexagonal y de la superficie (001) observada experimentalmente en circonia tetragonal. Nuestros resultados predicen a la superficie libre de Zr (1120) y a la de ZrO2 (001) terminada en O con subsuperficie de Zr como las más estables. Además encontramos que las superficies Zr(1010) tienen la mayor inhomogeneidad de la distribución de carga, lo que favorecería el crecimiento del óxido. Esta observación coincide con la evidencia experimental, que indica que la interfaz observada del óxido protector es Zr(1010)/ZrO2(001).

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“…Para obtener dos superficies equivalentes de composición Fe, es necesario tomar una lámina estequiométrica y agregar una capa atómica de hierros tetraédricos sobre la capa de composición FeO2, reproduciendo la secuencia que se da en el material en volumen. En este caso, la energía de superficie depende del potencial químico de oxígeno y puede calcularse en el límite inferior del rango de estabilidad de la superficie, o límite pobre en oxígeno (O-poor) [1,44]. Las láminas se construyen usando las dimensiones una celda unidad de magnetita para el plano de la interfaz.…”

Section: Cálculos De Superficieunclassified

“…Dado que la magnetita es una espinela inversa de estructura cristalina y el hierro posee una estructura BCC, se modela la interfaz Fe3O4[001]-Fe[001] teniendo en cuenta que experimentalmente se observa la relación de orientaciones Fe3O4[100]||Fe[110] para la misma. A lo largo de la dirección [001] en el óxido se alternan los planos de composición FeO 2 y Fe, aunque aquí solo se trata la terminación Fe de la magnetita, ya que se ha demostrado que forma la interfaz más estable [1,2]. Se utiliza DFT para calcular el trabajo necesario para deslizar las superficies en relación a las direcciones principales de la interfaz, para luego calcular el potencial interfacial en función de las coordenadas generalizadas de la misma según el modelo de WEI y HUTCHINSON [3].…”

unclassified

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Esfuerzo de corte en Interfaces Fe/Fe3O4

et al. 2018

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RESUMENLa estabilidad mecánica de los óxidos formados sobre las aleaciones de uso industrial, y su adhesión al sustrato metálico es de vital importancia para determinar la susceptibilidad de las aleaciones a los medios en contacto y la aplicabilidad en condiciones de alta temperatura u otras condiciones extremas. En este contexto, la energía de adhesión es uno de los parámetros principales a determinar. Los métodos atomísticos como la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) se presentan como una herramienta fundamental para calcular este parámetro en interfases Oxido/Metal. En este trabajo se estudia con esta técnica la interfaz Fe(BCC)/Magnetita. El interés en este sistema radica en que se ha visto que la magnetita (Fe 3 O 4 ) es el óxido en contacto con el metal en condiciones de corrosión generalizada, e incluso las capas de óxido pasivante pueden tener cierta similitud con esta desde el punto de vista estructural. Dado que la magnetita es una espinela inversa de estructura cristalina y el hierro posee una estructura BCC, se modela la interfaz Fe3O4[001]-Fe[001] teniendo en cuenta que experimentalmente se observa la relación de orientaciones Fe3O4[100]||Fe[110] para la misma. A lo largo de la dirección [001] en el óxido se alternan los planos de composición FeO 2 y Fe, aunque aquí solo se trata la terminación Fe de la magnetita, ya que se ha demostrado que forma la interfaz más estable [1,2]. Se utiliza DFT para calcular el trabajo necesario para deslizar las superficies en relación a las direcciones principales de la interfaz, para luego calcular el potencial interfacial en función de las coordenadas generalizadas de la misma según el modelo de WEI y HUTCHINSON [3]. Este potencial puede ser utilizado en modelos de meso escala de la interfaz, por ejemplo para el cálculo de la tenacidad de la misma.Palabras clave: Adhesión Interfacial, Potencial Interfacial, Magnetita, DFT. ABSTRACTThe mechanical stability of oxides formed on metallic alloys is a key concern in the determination of component susceptibility to the medium in contact and the applicability of the alloy to high temperatures and other extreme conditions. In this context, the energy of adhesion is a key parameter. Density functional Theory (DFT) and other atomistic methods are fundamental tools in the determination of this quantity for Metal/Oxide interfaces. In this paper Fe(BCC) / Magnetite interface is assessed within the DFT approach. This system is of general interest, given that magnetite (Fe 3 O 4 ) is the oxide in direct contact with the metal under generalized corrosion and for a wide range of conditions. Moreover, it has been demonstrated that passive films on iron alloys exhibit similar structural properties. Magnetite is an inverse spinel with structure, while Iron has a BCC crystal structure. [110]. In the (001) direction, atomic layers with compositions FeO 2 and Fe are alternated. Here only the Fe termination is treated, as it has been proved that it constitutes the most stable interface [1,2]. DFT is used to calculate the work need...

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A DFT study of atomic structure and adhesion at the Fe(BCC)/Fe3O4 interfaces

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