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Statistical study of vacancy diffusion in TiC and TaC

空位缺陷 材料科学 动力学蒙特卡罗方法 密度泛函理论 碳化钽 扩散 金属 化学计量学 碳化物 凝聚态物理 蒙特卡罗方法 化学物理 热力学 物理化学 计算化学 冶金 化学 物理 统计 数学
作者
Xiaochuan Tang,Rofiques Salehin,Gregory B. Thompson,Christopher R. Weinberger
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:4 (9) 被引量:16
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.4.093602
摘要

Density functional theory (DFT) simulations, Metropolis Monte Carlo (MMC), and kinetic Monte Carlo (kMC) simulations were performed to understand the mechanisms of mass diffusion in a group IVB transition metal carbide, TiC, and a group VB transition metal carbide, TaC. The DFT calculations were used to obtain the vacancy formation energy and migration energy of a variety of microstates for off-stoichiometric TiC and TaC. MMC simulations, based on our DFT results, were used to determine the ensemble average of the metal vacancy formation energy and determine the average size metal-vacancy clusters present in these materials. kMC simulations were used to determine the ensemble average of the migration energy barrier as well as understand how the vacancies in these materials, on average, migrate. These collective results show that metal vacancy migration in TiC and TaC are quite different, where Ti vacancies should be surrounded by four to five carbon vacancies whereas, on average, tantalum vacancies are surrounded by one or zero carbon vacancies. However, the carbon vacancies substantially contribute to metal vacancy diffusion in both these materials, as the metal vacancy statistically will have a carbon vacancy near it before and after migration. From these results, we find that the activation energy of metal vacancy diffusion is 7.66 eV in ${\mathrm{Ti}}_{0.995}{\mathrm{C}}_{0.97}$ and 6.41 eV in ${\mathrm{Ta}}_{0.995}{\mathrm{C}}_{0.97}$, which agrees reasonably well with experimentally reported activation energies. These results give further insights into the mechanisms associated with mass diffusion within the transition metal carbide families, an important insight needed to better elucidate high temperature diffusional creep responses which is often difficult to assess experimentally.

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