This master thesis presents a theoretical investigation of the energy and stability of interfaces in iron-carbide compounds, specifically focusing on the α-Fe/Cr7C3 system. The study aims to fill the gap in knowledge regarding the surface energetics of these interfaces using Density Functional Theory (DFT). Six different α-Fe/Cr7C3 interfaceswere constructed α-Fe(001)/Cr7C3(024), α-Fe(001)/Cr7C3(202), α-Fe(001)/Cr7C3(040),α-Fe(110)/Cr7C3(024), α-Fe(110)/Cr7C3(202) and α-Fe(110)/Cr7C3(040). Due to limited computational resources, only one of them was computationally analyzed to determine its interfacial energy value. The results revealed that the interfacial energy of the α-Fe(001)/Cr7C3(040) interface falls within the range of incoherent interfaces, indicating its stability. The computed interfacial energy values ranged from 0.94 to 3.39 J/m2, consistent with similar studies on other iron interfaces. The simulations also identified minimum and local minimum points in the interface energy curve, representing stable configurations at specific interface separation distances. The presence of a minimum point at an interface separation value of d = 1.3551 Å with an interfacial energy of 0.94 J/m2 indicates the most stable configuration, while a local minimum point at d = 2.27 Å with an interfacial energy of 2.12 J/m2 suggests another stable configuration for the interface. The conclusion that the computations were correctly performed with an interfacial energy value of 0.94 J/m2 for the most stable configuration at a supercell length (aSupercell ) of 22.23 Å is drawn. The findings of this research have significant implications for future investigations and applications. Firstly, this study fills the gap of the unresearched ferrite-carbide interfaces with theoretical data. Secondly, the knowledge gained from studying these interfaces contributes to understanding hydrogen interactions, which is fundamental for the transition towards a hydrogen economy. Additionally, the incoherent nature of the interface introduces challenges in understanding material behavior and properties, necessitating further investigations for designing efficient systems. Future work includes experimental validation of the α-Fe/Cr7C3 interface to compare the theoretical and experimental energies and stability. Investigating the remaining interfaces and examining the effects of introducing hydrogen atoms in these interfaces, along with calculating the corresponding hydrogen trapping energies, are important research areas. Further advancements in understanding these interfaces can be achieved through interface engineering, multiscale modeling, and studying other iron-carbide systems. / Detta examensarbete presenterar en teoretisk undersökning av energin och stabiliteten hos gränssnitt i järnkarbidföreningar och fokuserar specifikt på α-Fe/Cr7C3-systemet. Studien syftar till att fylla kunskaps tomrummet gällande ytegenskaperna hos dessa gränssnitt genom användning av densitetsfunktionalteori (DFT). Sex olika α-Fe/Cr7C3-gränssnitt konstruerades α-Fe(001)/Cr7C3(024), α-Fe(001)/Cr7C3(202), α-Fe(001)/Cr7C3(040), α-Fe(110)/Cr7C3(024), α-Fe(110)/Cr7C3(202) och α-Fe(110)/Cr7C3(040). På grund av begränsade beräkningsresurser analyserades endast ett av dem för att bestämma dess gränssnittsenergivärde. Resultaten visade att gränssnittsenergin för α-Fe(001)/Cr7C3(040)- gränssnittet ligger inom intervallet för inkoherenta gränssnitt, vilket indikerar dess stabilitet. De beräknade gränssnittsenergivärdena varierade mellan 0,94 och 3,39 J/m2 , vilket är i linje med liknande studier där järngränssnitt studeras. Minimi och lokala minimipunkter i gränssnittets energikurva, vilket representerar stabila konfigurationer vid specifika avstånd mellan gränssnittet. Förekomsten av en minimipunkt vid ett gränssnittsavstånd på d = 1,35 Å med en gränssnittsenergi på 0,94 J/m2 indikerar den mest stabila konfigurationen, medan en lokal minimipunkt vid d = 2,27 Å med en gränssnittsenergi på 2,12 J/m2 antyder en annan stabil konfiguration för gränssnittet. Slutsatsen dras att beräkningarna utfördes korrekt med ett gränssnittsenergivärde på 0,94 J/m2 för den mest stabila konfigurationen vid en supercellslängd (aSupercell) på 22,23 Å. Fynden från denna forskning har betydande implikationer för framtida undersökningar och tillämpningar. För det första fyller denna studie kunskapsgapet gällande de otillräckligt utforskade ferrit-karbidgränssnitten med teoretisk data. För det andra bidrar den erhållna kunskapen från studiet av dessa gränssnitt till förståelsen av väteinteraktioner, vilket är grundläggande för övergången till en väteekonomi. Dessutom innebär gränssnittets inkoherenta natur utmaningar när det gäller att förstå materialbeteende och egenskaper, vilket kräver ytterligare undersökningar för att utforma effektiva system. Framtida arbete inkluderar experimentell validering av gränssnittet mellan α-Fe/Cr7C3 för att jämföra teoretiska och experimentella energier och stabilitet. Att undersöka återstående gränssnitt och undersöka effekterna av att introducera väteatomer i dessa gränssnitt och beräkna motsvarande vätefällningsenergier är viktiga forskningsområden. Gränssnittsdesign, flerskalig modellering och studier av andra järnkarbid-system kan ytterligare främja förståelsen av dessa gränssnitt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:mau-60967 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Al-Hussein, Hussein |
| Publisher | Malmö universitet, Institutionen för materialvetenskap och tillämpad matematik (MTM), mau |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0032 seconds