Iron in Hydroxyapatite: Interstitial or Substitution Sites?

氧烷 间质缺损 杂质 材料科学 密度泛函理论 电子结构 兴奋剂 结晶学 谱线 化学 计算化学 物理 天文 光电子学 有机化学
作者
L. A. Avakyan,Ekaterina Paramonova,Vladimir Bystrov,J. Coutinho,Sandrine Gomes,Guillaume Renaudin
出处
期刊:Nanomaterials [MDPI AG]
卷期号:11 (11): 2978-2978 被引量:27
标识
DOI:10.3390/nano11112978
摘要

Iron-doped hydroxyapatite (Fe-HAp) is regarded as a promising magnetic material with innate biocompatibility. Despite the many studies reported in the literature, a detailed theoretical description of Fe inclusions is still missing. There is even no consensual view on what kind of Fe defects take place in Fe-HAp—iron interstitial or calcium substitutions? In order to address these questions, we employ modern first-principles methodologies, including hybrid density functional theory, to find the geometry, electronic, magnetic and thermodynamic properties of iron impurities in Fe-HAp. We consider a total of 26 defect configurations, including substitutional (phosphorus and calcium sites) and interstitial defects. Formation energies are estimated considering the boundaries of chemical potentials in stable hydroxyapatite. We show that the most probable defect configurations are: Fe3+ and Fe2+ substitutions of Ca(I) and Ca(II) sites under Ca-poor conditions. Conversely, Fe interstitials near the edge of the hydroxyl channel are favored in Ca-rich material. Substitutional Fe on the P site is also a probable defect, and unlike the other forms of Fe, it adopts a low-spin state. The analysis of Fe K-XANES spectra available in the literature shows that Fe-HAp usually contains iron in different configurations.
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