HAL Id: jpa-00208168
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Submitted on 1 Jan 1974
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Application de la méthode des moments à l’alliage équiatomique Fe-Co
J.F. Dinhut, J.C. Desoyer, P. Moine
To cite this version:
J.F. Dinhut, J.C. Desoyer, P. Moine. Application de la méthode des moments à l’alliage équiatomique
Fe-Co. Journal de Physique, 1974, 35 (5), pp.447-453. �10.1051/jphys:01974003505044700�. �jpa-
00208168�
APPLICATION DE LA MÉTHODE DES MOMENTS
A L’ALLIAGE ÉQUIATOMIQUE Fe-Co
J. F.
DINHUT,
J. C. DESOYER et P. MOINE Laboratoire deMétallurgie Physique,
40,
avenue du RecteurPineau,
86022Poitiers,
France(Reçu
le 26 octobre1973,
révisé le 2janvier 1974)
Résumé. 2014 La méthode des moments, applicable aux métaux de transition, est utilisée pour un
alliage subissant la transformation ordre-désordre : le Fe-Co équiatomique. Cette étude permet de
montrer que les énergies de paroi antiphase, peuvent très bien s’expliquer, pour cet alliage, unique-
ment par des différences entre les diverses intégrales de recouvrement des fonctions d’onde Fe-Fe, Co-Co, Fe-Co. L’insuffisance de valeurs numériques, pour ces intégrales, nous conduit à fixer les paramètres ajustables de la méthode à l’aide d’une théorie thermodynamique de la transformation ordre-désordre.
Abstract. 2014 The moment expansion technique, valid for transition metals, is
applied
to theequiato-
mic Fe-Co ordering alloy. This study shows that the antiphase boundary energy may be’very well explained for this alloy by using only the différences between the overlap integrals of Fe-Fe, Co-Co and Fe-Co wave functions. The lack of numerical values concerning such integrals has led us to
fit the parameters of the method with the aid of a thermodynamical theory of atomic order-disorder transformation.
Classification Physics Abstracts
7.480-7.840
1. Introduction. -
Après
avoir brièvementrappelé
les différentes méthodes
permettant d’étudier
lastructure
électronique
des métaux detransition,
nousjustifierons,
compte tenu del’alliage étudié,
le choixde la méthode des moments pour ce travail. Dans la seconde
partie,
nous donnerons leprincipe général
de la
méthode, appliqué
à un métal pur, et les résultats que l’onpeut espérer
obtenir en se limitant à la connaissance despremiers
moments; nousgéné-
raliserons ensuite au cas de
l’alliage
d’abord dans l’étatparfaitement
ordonnépuis après
des pertur- bations d’ordre. Enfin dans la 3epartie,
nousajus-
terons la méthode sur des théories
simples
de la trans-formation
ordre-désordre;
cequi
nouspermettra
alors de calculer desénergies
deparois antiphases
conservatives.
La structure
électronique
des métaux de transition est habituellement décrite par lasuperposition
d’unebande s, dont les électrons se
comportent
comme les électrons libres d’un métalnormal,
et d’une bande détroite,
donc de forte densité d’état que l’onpeut
étudier dansl’approximation
des liaisons fortes[1], [2].
En toute
rigueur,
il faudrait tenir compte dumélange
s -
d ;
en fait l’étude de certainespropriétés physiques
a montré que ce terme ne se faisait sentir que dans les métaux de fin de
série ;
on pourra lenégliger
enpremière approximation
et traiter les électrons d par la méthode des liaisons fortes.L’emploi
de la méthode des liaisons fortes revient àestimer
lesintégrales
de dérive et de recouvrement,ce
qui
est difficile car cesintégrales dépendent
étroi-tement du choix du
potentiel
et de la formeasympto- tique
des fonctions d’ondes. Certainestechniques permettent
de résoudre l’hamiltonien à un électron : - méthode des ondesplanes augmentées (APW),
- méthode des fonctions de Green
(KKR),
- utilisation des schémas
d’interpolation.
De nombreux résultats ont
déjà
été obtenus pour des métaux purs et desalliages dilués ;
en effet dansce cas les atomes
étrangers peuvent
être considéréscomme des
impuretés
etl’emploi
de larègle
de Friedelpermet de déterminer de
façon
autocohérente lespotentiels atomiques
del’impureté
et des atomesvoisins. Par contre, dans le cas des
alliages
concentrésqui
nousintéresse,
nous ne pouvons pasappliquer
cette
règle;
certains auteurs[3], [4], [5]
ont utilisédifférentes
approximations
dontbeaucoup
sont ana-logues
à une méthodeunique appelée : approximation
du
potentiel
cohérent(C.P.A.).
Dans la
pratique
tous ces calculs ne semblent pasencore très maniables et ne
peuvent s’appliquer
facilement
qu’à
des modèles uni-dimensionnels. NotreArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01974003505044700
448
but étant de calculer les
énergies de, paroi
d’anti-phase
del’alliage équiatomique Fe-Co,
nous utilise-rons de
préférence
la méthode des moments pour les raisons suivantes :1)
LeFe-Co présentant
une transformation ordre- désordre nous ne pouvons pasprétendre
déterminerles
états’ propres
de l’hamiltonien pour une confi-guration quelconque
del’alliage ;
eneffet,
le théorème de Bloch n’estplus applicable
dès que ledegré
d’ordren’est pas maximum et il faudrait alors
diagonaliser
une matrice 5 N x 5 N
(où
N est le nombre d’atomes ducristal).
Au contraire le calcul despremiers
momentss’effectue assez facilement
quel
que soit l’état d’ordre.2)
La méthode étant d’autantplus justifiée
queles fonctions d’onde
atomiques
sont localisées surles atomes, il semble
judicieux
del’appliquer
au casde
l’alliage Fe-Co ;
eneffet,
d’unepart,
le recouvre-ment entre deux fonctions d’ondes situées sur des atomes
proches
voisins diminue de la troisième à lapremière
série des éléments de transition(les
états3d étant les
plus
centrés sur lesnoyaux)
et, d’autrepart,
à l’intérieur dechaque série,
les fonctions d’ondes se trouvent deplus
enplus près
du noyauau fur et à mesure que le
potentiel
de celui-ci devientplus
attractif.3)
Les niveauxatomiques
du fer et du cobalt étant trèsvoisins,
les transferts decharge
seproduisant
lors de la formation de
l’alliage
serontfaibles;
onpourra admettre que les niveaux
atomiques
del’alliage
restent constants pour toutes les
configurations.
4)
Les valeursnumériques
de certainesintégrales
de recouvrement sont assez bien connues par des calculs de structure de bande.
5) Malgré
ses nombreusesapproximations,
laméthode des moments a donné des résultats satis- faisants pour décrire les
propriétés physiques
desmétaux de transition ne nécessitant
qu’une
connais-sance
globale
de la courbe de densité d’états(énergie
de
cohésion,
tensionsuperficielle,
stabilité dephase,
constantes
élastiques).
2. Méthode des moments. - 2. 1 RAPPELS. - La méthode des moments a
déjà
étéexposée
en détailpar
Cyrot
Lackmann[6]
et Ducastelle[7] ;
elle permet d’atteindre la courbe de densité d’étatn(E)
par laconnaissance
de tous ses moments.On définit :
- une densité d’états par atome
où N est le nombre d’atomes du
cristal ;
- des moments normalisés
- des
moments
normalisés centrésEn utilisant les
approximations usuelles, qui
consis-tent pour les métaux de transition à :
- supposer
complète
la base des fonctions ato-miques,
-
négliger
lesintégrales
à trois centres,- supposer que
l’augmentation d’énergie
entrele niveau
atomique
de l’atome libre et le niveau ato-mique
dans le cristal estcompensée
parl’intégrale
de
dérive,
- ne
conserver,
dans le cas de la structurecubique
centrée
qui
nous intéresseici,
que lesintégrales
àdeux centres
premiers
et secondsvoisins,
les moments de la courbe de densité d’état s’écrivent pour la bande 3d :
où les
fl)§
sont lesintégrales
de recouvrement entre deux orbitales À et p situéesrespectivement
sur lessites i et
j.
Pour obtenir mn il suffit alors de dénombrer les circuits
qui
vont deil à ii
enpassant
par n - 1 atomes,puis d’associer,
lamatrice fl (d’éléments Pl/l)
àchaque
saut entre voisins et la
quantité
5Eo
àchaque
sautsur
place.
Nous .noterons que les circuits intervenant dans m2 sont de
simples
aller et retour que nousappellerons
par la suite liaisons.
En
pratique
le calcul des moments d’ordre élevé devient vite fastidieux. Dans les cas ne nécessitant pas unedescription
détaillée desirrégularités
den(E)
on pourra lui substituer une fonctionanalytique ayant
les mêmespremiers
moments que la courbe réelle.Spi - on se limite à m2, le choix le
plus
satisfaisant consiste àprendre
pourn(E)
unegaussienne
On
peut
alors calculerl’énergie,
que l’on écritcomme la somme des
énergies
de Hartree à un électronoù le niveau de Fermi
EF
est déterminé par le nombre Zd’électrons par atome :
On remarquera que, ne pas calculer les moments réels mn
(pour n
>2)
ne consiste pas ànégliger
lesinteractions à n atomes, mais revient à considérer que ces interactions sont caractérisées par les moments mn
(n
>2)
de la Gaussienne.2.2 MOMENTS DE L’ALLIAGE ORDONNÉ. - La méthode
peut
segénéraliser
au cas desalliages
àbase de métaux de
transition ;
nous traiterons direc- tement le cas du Fe-Cost0153chiométrique.
Cetalliage
de structure
cubique
centréepossède
une surstructure de typeB2 (Fig. 1)
pour destempératures
inférieuresà
unetempérature critique Tc
voisine de 730 °C.FiG.1.
La formule
(1) permet
d’écrire lespremiers
momentsde
l’alliage
ordonné :La
première
somme porte sur lesN/2
sitesoccupés
par les atomes de
fer,
la seconde sur les sitesoccupés
par les atomes de cobalt.
Par la suite on
prendra
pourorigine
desénergies
ce
qui
nouspermettra
d’utiliser indifféremment les notations ,un = mn.De la même
façon,
enséparant
les contributions des atomes de fer et de cobalt onpeut
écrire :avec
Il faut remarquer que le fait d’avoir
supposé
lesfonctions d’ondes
atomiques orthogonales,
entraîneune
approximation supplémentaire ;
en effet l’élément de matriceiÀ T + Vi + Vj 1 jJ1
> sedécompose
de deux
façons
différentes :Ce
résultat,
exactquand
les deux atomes situés en iet j
sont de même nature, n’estplus rigoureux
dansle cas d’un
alliage;
toutefois dans le cas du Fe-Co lespotentiels Vi
etVj
étant trèsvoisins,
nous suppo-serons que cette relation reste vraie.
Dans la
pratique,
m2 sera obtenu en utilisant lesrègles
desymétrie
de Slater et Koster[8] chaque
élément de la
matrice fi s’exprime
alors comme unecombinaison linéaire de trois
intégrales
de recouvre-ment à deux centres
dda,
dd1t et ddôcorrespondant respectivement
à desprojections
du moment orbitalml = 0,
±1, + 2.
Si on
appelle Z(i)
le nombre de i-ième voisins de l’atomepris
pourorigine,
m2 s’écrit :En
reprenant
lessimplifications
introduites parCyrot
Lackmann et Ducastelle[9],
Le moment m2
s’exprime
en fonction de la seule variable ddJ(1).
On notera par la suite ddu(1)
= XFI xc, yquand
le recouvrement aura lieu entre deux atomes defer,
deux atomes decobalt,
un atome de feret un atome de cobalt.
Pour calculer m2, il suffit alors de connaître la nature des
premiers
et seconds voisins de l’atomeorigine
et de leur associerl’intégrale
de recouvrement’correspondante.
Ainsi pourl’alliage
ordonnéZl
= 8 atomes de naturedifférente, Z2
= 6 atomesde nature
identique
450
de même on aura :
soit :
avec
Le calcul se conduit de la même
façon
pour unalliage possédant
undegré
d’ordrequelconque
ouayant une
perturbation
locale de l’état d’ordre.2.3 CALCUL DE AE. - Pour avoir la différence
d’énergie
entre un étatperturbé
et l’étatd’ordre
maximum,
il est commode d’introduire les notations suivantes :Le
remplacement
d’une bonne par une mauvaise liaison entraîne pourNm2
uneaugmentation
de :Am2 (1)
s’ils’agit
d’une liaison entrepremiers
voisins.AM2(2)
dans le cas de seconds voisins.Les valeurs moyennes, ainsi
définies,
ne sont utili-sables que si les liaisons Fe-Fe et Co-Co interviennent
en nombre
égal
dans l’étatperturbé ;
calculonssoit
on obtiendrait par un calcul
analogue :
Si,
àpartir
de l’état ordonné on transformeN, premières
liaisons etN2
secondesliaisons,
le momentm2 devient
mz et
la différenced’énergie accompagnant
cette
perturbation
s’écrit en utilisant la relation(4) :
avec
La valeur maximale de
Nl,
obtenue au désordretotal est 4
N ;
si deplus
on lui retranche la contribu-tion due à
N2,
le second terme del’expression (9)
est,dans le cas le
plus défavorable,
de l’ordre degrandeur y2_x2
de y2 - X2
c’est-à-dire dequelques
pour cents. On m2peut
donc,
dans tous les cas et afortiori quand
lesNi
sont
petits,
faire undéveloppement
limité du radical intervenant dansl’expression (8) ;
dans ces conditionsOn peut constater sur cette formule
(10)
que ladifférence
d’énergie
estproportionnelle
au nombrede
premières
et secondes liaisonsperturbées.
Onretrouve
donc,
formellement dumoins,
une expres- sion semblable à celles deBragg
et Williams[10]
et de Bethe
[11].
Cette similitude dans la forme est laconséquence
de nosapproximations :
’- choix d’une
gaussienne ajustée
à m2 pourrepré-
senter
n(E),
-
développement
limité aupremier
ordre dans le calcul del’énergie.
Dans la mesure où ces
approximations
sont rai-sonnables,
le calculprécédent peut apparaître
commeune
justification
des calculsd’énergie
effectués dans les différentes théoriesthermodynamiques
de la tran-sition ordre-désordre. En fait pour arriver à ce résultat il a fallu supposer que l’écart
EFe - Eco
entre lesniveaux
atomiques
du fer et du cobalt restait cons-tant
quelle
que soit laconfiguration
del’alliage.
Cette
hypothèse qui
ne semble pas restrictive pour le Fe-Coapporte
une limitation à la méthode de calculemployée.
En effet si les éléments A et B cons-titutifs d’un
alliage portent
descharges
nucléaires tropdifférentes,
les transferts decharge
seproduisant
lors de la formation de cet
alliage
sont trèsimpor-
tants ; dans ces conditions la
différence EA - EH
varierade manière sensible avec l’état
d’ordre,
et l’influence du désordre se fera depréférence
sentir par la varia- tion des niveauxatomiques plutôt
que par la nature desintégrales
de recouvrement.3. Résultats et discussion. - 3.1 VALEURS NUMÉ- RIQUES. - En vue de calculer les
énergies
deparoi d’antiphase Fe-Co,
nousprendrons
les valeurs numé-riques
suivantes.->
Remplissage
de la bande : Z =7,6 électrons/
atome; cette valeur s’obtient par
interpolation
àpartir
des valeursproposées
par Asdente et Friedel[12]
pour le fer et le cobalt. On
peut
ainsi déterminer laposition
du niveau de FermiEF
et calculer K :->
EFe - Eco :
cette différence entre les niveauxatomiques
du fer et du cobalt sera fixé à 1 eV. Cette estimation raisonnable a uneimportance
secondairepuisqu’elle
intervient comme une constante dont la valeur influe peu sur les variations de m2.-> XF =
0,7
eV en accord avecplusieurs
calculsdirects
[13], [14], [15],
effectués sur le fercubique
centré par des méthodes A P W et K K R.
-> Xc =
0,585 eV ;
valeur obtenue en tenantcompte
d’une
part
du choix de xF et d’autre part des courbes de Ducastelle etCyrot
Lackmann[16]
donnant les valeurs desintégrales
de recouvrement pour toute la série de transition.-> Le
paramètre y
sera choisi defaçon
à obtenirune valeur correcte de
l’énergie
de mise en ordre v.3.2 DÉTERMINATION DE y. - Les différentes théo- ries
thermodynamiques précitées
permettentd’expri-
mer la différence
d’énergie
entrel’alliage parfaitement
ordonné et
l’alliage
totalement désordonné : E désordonné - E ordonné = 2 Nv avecpour
Bragg
et Williams[10]
etpour Bethe
[11].
La relation
(10) employée
pourN1
= 4 N etN2 = 3 N
nous fournit cette même différence d’éner-gie ;
l’identification des deux relations conduit àl’expression (11),
dont les variations pour y E
[xc, XFI
sontreprésentées
sur la
figure 2 ;
onpeut
noterqu’aux
valeurs de vobtenues par les théories de
Bragg
et Williams et deBethe, correspondent
des valeursde y
voisines de0,672
eV et0,676
eV. Ces valeursplus proches
dexF que de xc,
correspondent
assez bien aux donnéesnumériques
et aux courbes de Ducastelle etCyrot-
Lackmann
[16].
Il convient toutefois de noter que la valeur de y =
0,676
eV obtenue par l’intermédiaire de la théorie de Bethe n’estrigoureuse
que pour unetempé-
rature
infinie, c’est-à-dire lorsque
ledegré
d’ordreà courte distance devient nul.
On
peut
fairequelques
remarques sur l’influence des différentsparamètres qui
conduisent à ces valeurs de y :Le choix de
Z,
nombre d’électrons par atomes, durapport ddu/dd1t
et de l’écart entre les niveaux atomi- ques du fer et ducobalt,
influe faiblement sur la détermination de y en raison de la variationrapide
dev en fonction
de y (Fig. 2).
A titred’exemple,
on trou-vera sur la
figure
3 les courbescorrespondant
àFIG. 2.
Z = 7 et Z =
8,
2e/at,
valeurs extrêmes concevables pour notrealliage puisque
ce sont cellesproposées
par Asdente et Friedel
[12]
pour le fer et le cobalt.3.3 ENERGIES DES PAROIS D’ANTIPHASES CONSER- VATIVES. - Dans un
alliage
A.B. (5050)
uneparoi antiphase
est dite conservativequand
elle est tra-versée par un nombre
égal
de mauvaises liaisons AA et BB.Nous nous intéresserons
uniquement
auxplans (110), (112)
et(123) qui
sont lesplans
deglissement généralement
observés dans les structures detype B2
et
qui
sont du type conservatif.Supposons
que N’atomesparmi
les N d’uncristal,
aient des liaisons
perturbées
par laprésence
d’uneparoi d’antiphase ;
des constructionsgéométriques simples
montrent que,quel
que soit leplan
de laparoi,
FIG. 3.
452
2 N’
premières
liaisons sur les 8 N’ sont modifiées(ainsi
que 2 N’ sur les 6 N’ secondesliaisons).
Cetteinvariance ne
signifie
pas que toutes lesparois
ontla même
énergie
par unité de surfacepuisque
l’airecorrespondant
aux N’atomesdépend
du type deplan
choisi :
a = maille du
réseau, (hkl )
= indice duplan
defaute,
2 n(hkl) = nombre de
plans (hkl )
surlesquels
sontrépartis
les N’ atomes.L’énergie
des frontièresd’antiphase
s’écrit pour lesdifférents plans:
En utilisant la relation
(10)
pour calculer AE(Ni
= 2N’, N2
= 2N’)
on trouve pour les troistypes
deplans envisagés’ (110), (112)
et(123)
lesrésultats
figurant
dans le tableau I.Sur le tableau
II, l’énergie
y 11 o calculée par la méthode des moments pour les deux valeurs du para-mètre y
estcomparée
àla
valeurexpérimentale
deMarcinkowski
[17]
et aux valeurs calculées par Moine[18]
etEymery [19]
àpartir
des théories ther-modynamiques
deBragg
et Williams[lo]
et Bethe[11].
TABLEAU 1
TABLEAU II
L’accord obtenu ne doit pas
surprendre, puisque
les différentes méthodes se ramènent à un dénombre-
ment de liaisons
coupées (cf.
2 .3)
etqu’elles
sont toutes basées sur la connaissance de latempérature critique.
Notons
cependant
que la méthode des moments tientcompte
des modifications intervenant sur les secondsvoisins,
cequi
ne peut que diminuer les valeurs de y obtenues par cette méthode.4. Conclusion. -
L’hypothèse utilisée,
consistant à supposer constant l’écartEFe - Eco
entre les niveauxatomiques
du fer et du cobalt dansl’alliage,
pour neprendre
en considération que le nombre et la nature desintégrales
de recouvrement est exactementopposée
à celle des
premiers
calculs C.P.A. Elle noussemble,
néanmoins
justifiée
par le choix del’alliage
étudié :association de 2 métaux de fin de série
3d,
voisinsdans le tableau
périodique ;
dans ces conditions les transferts decharge
survenant lors de la formationde
l’alliage
sont faibles et l’influence de leurvariation,
en fonction de l’état
d’ordre, peut
êtrenégligée.
Dwight
et Beck[20]
ont étudié lespossibilités
d’obtention d’une
phase
ordonnée du typeB2
dansles
alliages
de métaux detransition,
ils ont constatéqu’une
tellephase :
-
apparaissait
si la concentrationélectronique
était de l’ordre de
6e/at,
- était d’autant
plus
stable que les éléments la constituants’éloignaient
l’un de l’autre dans le tableaupériodique (stabilité
accentuée par des trans- ferts decharge croissants).
Or le
FeCo,
non étudié par ces auteurs, neremplit
pas ces deux
conditions; pourtant
ilprésente
unesurstructure du
type B2
stable. Il semble doncqu’il
n’existe pas de loi
générale,
l’influence du désordrese faisant sentir tantôt sur la variation des niveaux
atomiques,
tantôt par l’intermédiaire de la nature desintégrales
de recouvrement suivant que les élé- , ments constituantl’alliage
ont descharges
nucléairestrès différentes ou non.
Il serait intéressant
d’appliquer
la méthode ,à d’autresalliages possédant
les mêmescaractéristiques
pour étudier par
exemple
la stabilité des différentesphases
desalliages
NiFe et NiCo.En se limitant au calcul des trois
premiers
moments(mo,
Ml,m2)
et en substituant à la courbe de densité d’état réelle unegaussienne
delargeur vrn;,
nousavons
montré qu’en
s’écartant de l’état d’ordreparfait, l’augmentation d’énergie
se calculait parun dénombrement de liaisons
coupées.
Cette méthode devient donc formellement
analogue
à celle des théories
thermodynamiques
de l’ordre- désordre. Ceciexplique, qu’à partir
de l’instant où leparamètre dduf,, (recouvrement
entre deux atomesde fer et de
cobalt)
estajusté
sur l’une de cesthéories,
on obtienne par les deux
techniques,
dans les calculsultérieurs,
des résultats voisins.La méthode des moments
semblerait
toutefoisplus
raffinéepuisqu’elle
fait intervenir les seconds voisins etqu’elle
tientcompte implicitement
desinteractions à n atomes.
Si nous
disposions
des valeursprécises
des diffé-rentes
intégrales
derecouvrement,
nouspourrions
nous affranchir des théories
thermodynamiques
pour calculer lesénergies
de mise en ordre et deparoi
d’antiphase.
Notons enfin que dans une telle structure, où le
moment m3 est différent de
zéro,
il seraitplus rigou-
reux de ne pas choisir pour densité d’état une courbe
symétrique.
5. Remerciements. - Nous tenons à remercier MM. F. Ducastelle et J. Grilhé pour les discussions et les conseils intéressants que nous avons eus au cours de ce travail.
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