Инд. авторы:	Сагатов Н.Е., Гаврюшкин П.Н, Медриш И.В., Инербаев Т.М., Литасов К.Д.
Заглавие:	Фазовые соотношения карбидов железа fe2c, fe3c, fe7c3 при давлениях и температурах ядра земли
Библ. ссылка:	Сагатов Н.Е., Гаврюшкин П.Н, Медриш И.В., Инербаев Т.М., Литасов К.Д. Фазовые соотношения карбидов железа fe2c, fe3c, fe7c3 при давлениях и температурах ядра земли // Геология и геофизика. - 2020. - Т.61. - № 12. - С.1637-1647. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	DOI: 10.15372/GiG2019146; РИНЦ: 44404877;
Реферат:	rus: На основе первопринципных расчетов в рамках теории функционала плотности и алгоритмов предсказания структур определены фазы карбидов железа, устойчивые при PT -параметрах ядра Земли. Показано, что карбид железа Fe7C3 неустойчив и разлагается на смесь более простых карбидов Fe2С и Fe3C во всем интервале давлений и температур, характерных для внутреннего ядра Земли. Дальнейшее разложение карбида Fe3C на смесь Fe + Fe2C оказывается невыгодным. Также предсказана новая низкотемпературная модификация Fe3C- C 2 /m -II, динамически- и термодинамически-устойчивая в интервале давлений 290-305 ГПа. eng: Based on first-principle calculations in the framework of the density functional theory and structure prediction algorithms, we have determined iron carbide phases stable at the Earth’s core pressures and temperatures. It is shown that Fe7C3 is unstable and decomposes into the mixture Fe2C + Fe3C over the entire range of pressures and temperatures specific to the Earth’s inner core. Subsequent decomposition of Fe3C into the mixture Fe + Fe2C is unfavorable. We also predict a new low-temperature modification Fe3C-C2/m-II dynamically and thermodynamically stable over the pressure range 290-305 GPa.
Ключевые слова:	предсказание кристаллических структур; AIRSS; Uspex; карбиды железа; Quasi-harmonic approximation; crystal structure prediction; iron carbides; квазигармоническое приближение;
Издано:	2020
Физ. характеристика:	с.1637-1647
Цитирование:	1. Бажанова З.Г., Оганов А.Р., Джанола О. Системы Fe-C и Fe-H при давлениях внутреннего ядра Земли // Успехи физических наук, 2012, т. 182, с. 521-530. 2. Бажанова З.Г., Ройзен В.В., Оганов А.Р. Поведение системы Fe-S при высоких давлениях и состав ядра Земли // Успехи физических наук, 2017, т. 187, с. 1105-1113. 3. Гаврюшкин П.Н., Сагатов Н., Попов З.И., Бехтенова А., Инербаев Т.М., Литасов К.Д. Структура и свойства новых фаз высокого давления Fe7N3 // Письма в ЖЭТФ, 2018, т. 107 (6), с. 389-393. 4. Литасов К.Д., Шацкий А.Ф. Современные представления о составе ядра Земли // Геология и геофизика, 2016, т. 57 (1), с. 31-62. 5. Литасов К.Д., Попов З.И., Гаврюшкин П.Н., Овчинников С.Г., Федоров А.С. Первопринципные расчеты уравнений состояния и относительной стабильности карбидов железа при давлениях ядра Земли // Геология и геофизика, 2015, т. 56 (1-2), с. 214-223. 6. Ломницкая Я.Ф., Захарец Л.И., Кондратюк Г.Д. Взаимодействие ниобия и фосфора с ванадием или хромом // Неорганические материалы, 1988, т. 24, № 4, с. 610-614. 7. Aronsson B. The crystal structure of Ni3P (Fe3P-type) // Acta Chem. Scand., 1955, v. 9, p. 137-140. 8. Blanc A., Fruchart E., Fruchart R. Etude magnetique et christallographique des solutions solides 9. (Fe1- xCrx)3P et de la phase ferromagnetique Fe5B2P // Ann. Chim. (Paris), 1967, v. 2, p. 251-254. 10. Blatov V.A. Multipurpose crystallochemical analysis with the program package TOPOS // IUCr CompComm Newsletter, 2006, v. 7, p. 4-38. 11. Blatov V.A., Shevchenko A.P., Proserpio D.M. Applied topological analysis of crystal structures with the program package ToposPro // Cryst. Growth Des., 2014, v. 14, p. 3576-3586. 12. Chabot N.L., Campbell A.J., McDonough W.F., Draper D.S., Agee C.B., Humayun M., Watson H.C., Cottrell E., Saslow S.A. The Fe-C system at 5 GPa and implications for Earth's core // Geochim. Cosmochim. Acta., 2008, v. 72, p. 4146-4158. 13. Chen B., Gao L., Lavina B., Dera P., Alp E.E., Zhao J., Li J. Magneto-elastic coupling in compressed Fe7C3 supports carbon in Earth's inner core // Geophys. Res. Lett., 2012, v. 39, p. L18301. 14. Dziewonski A.M., Anderson D.L. Preliminary reference Earth model // Phys. Earth Planet. Inter., 1981, v. 25, p. 297-356. 15. Fei Y., Li J., Bertka C.M., Prewitt C.T. Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound // Am. Mineral., 2000, v. 85, p. 1830-1833. 16. Gavryushkin P.N., Martirosyan N.S., Inerbaev T.M., Popov Z.I., Rashchenko S.V., Likhacheva A.Y., Lobanov S.S., Goncharov A.F., Prakapenka V.B., Litasov K.D. Aragonite-II and CaCO3-VII: new high-pressure, high-temperature polymorphs of CaCO3 // Cryst. Growth Des., 2017, v. 17, p. 6291-6296. 17. Glass C.W., Oganov A.R., Hansen N. USPEX-Evolutionary crystal structure prediction // Comp. Phys. Comm., 2006, v. 175, p. 713-720. 18. Hirotsu Y., Nagakura S. Crystal structure and morphology of the carbide precipitated from martensitic high carbon steel during the first stage of tempering // Acta Metall. Mater., 1972, v. 20, p. 645-655. 19. Jack K. Structural transformations in the tempering of high-carbon martensitic steels // J. Iron Steel I., 1951, v. 169, p. 26-36. 20. Kresse G., Furthmüller J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set // Comp. Mater. Sci., 1996, v. 6, p. 15. 21. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev. B, 1999, v. 59, p. 1758. 22. Kroumova E., Aroyo M., Perez-Mato J., Ivantchev S., Igartua J., Wondratschek H. PSEUDO: a program for a pseudosymmetry search // J. Appl. Crystallogr., 2001, v. 34, p. 783-784. 23. Lord O., Walter M., Dasgupta R., Walker D., Clark S. Melting in the Fe-C system to 70 GPa // Earth Planet. Sci. Lett., 2009, v. 284, p. 157-167. 24. Lv Z., Sun S., Jiang P., Wang B., Fu W. First-principles study on the structural stability, electronic and magnetic properties of Fe2C // Comp. Mater. Sci., 2008, v. 42, p. 692-697. 25. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Valle M. How to predict very large and complex crystal structures // Comp. Phys. Comm., 2010, v. 181, p. 1623-1632. 26. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX // Comp. Phys. Comm., 2013, v. 184, p. 1172-1182. 27. Mashino I., Miozzi F., Hirose K., Morard G., Sinmyo R. Melting experiments on the Fe-C binary system up to 255 GPa: Constraints on the carbon content in the Earth's core // Earth Planet. Sci. Lett., 2019, v. 515, p. 135-144. 28. Methfessel M., Paxton A. High-precision sampling for Brillouin-zone integration in metals // Phys. Rev. B, 1989, v. 40, p. 3616. 29. Momma K., Izumi F. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data // J. Appl. Crystallogr., 2011, v. 44, p. 1272-1276. 30. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B, 1976, v. 13, p. 5188. 31. Mookherjee M. Elasticity and anisotropy of Fe3C at high pressures // Am. Mineral., 2011, v. 96, p. 1530-1536. 32. Nakajima Y., Takahashi E., Suzuki T., Funakoshi K.-I. "Carbon in the core" revisited // Phys. Earth Planet. Inter., 2009, v. 174, p. 202-211. 33. Oganov A.R., Glass C.W. Crystal structure prediction using ab initio evolutionary techniques: Principles and applications // J. Chem. Phys., 2006, v. 124, p. 244704. 34. Oganov A.R., Glass C.W., Ono S. High-pressure phases of CaCO3: crystal structure prediction and experiment // Earth Planet. Sci. Lett., 2006, v. 241, p. 95-103. 35. Ono S., Mibe K. Magnetic transition of iron carbide at high pressures // Phys. Earth Planet. Inter., 2010, v. 180, p. 1-6. 36. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 77, p. 3865. 37. Pickard C.J., Needs R. High-pressure phases of silane // Phys. Rev. Lett., 2006, v. 97, p. 045504. 38. Pickard C.J., Needs R. Ab initio random structure searching // J. Phys. Condensed Matter, 2011, v. 23, p. 053201. 39. Raza Z., Shulumba N., Caffrey N.M., Dubrovinsky L., Abrikosov I.A. First-principles calculations of properties of orthorhombic iron carbide Fe7C3 at the Earth's core conditions // Phys. Rev. B, 2015, v. 91, p. 214112. 40. Rühl R., Jeitschko W., Schwochau K. Preparation and crystal structures of technetium phosphides // J. Solid State Chem., 1982, v. 44, p. 134-140. 41. Rundqvist S. Phosphides of the platinum metals // Nature, 1960a, v. 185, p. 31. 42. Rundqvist S. The structures of Co2P, Ru2P and related phases // Acta Chem. Scan, 1960b, v. 14, p. 1961-1979. 43. Sata N., Hirose K., Shen G., Nakajima Y., Ohishi Y., Hirao N. Compression of FeSi, Fe3C, Fe0.95O, and FeS under the core pressures and implication for light element in the Earth's core // J. Geophys. Res. B: Solid Earth, 2010, v. 115, p. B09204. 44. Smith D., Lawler K.V., Martinez-Canales M., Daykin A.W., Fussell Z., Smith G.A., Childs C., Smith J.S., Pickard C.J., Salamat A. Postaragonite phases of CaCO3 at lower mantle pressures // Phys. Rev. Mater., 2018, v. 2, p. 013605. 45. Spriggs P. An investigation of the variation of lattice parameters with composition along the tie-line Ni3P-Fe3P // Philos. Mag., 1970, v. 21, p. 897-901. 46. Stokes H.T., Hatch D.M. FINDSYM: program for identifying the space-group symmetry of a crystal // J. Appl. Crystallogr., 2005, v. 38, p. 237-238. 47. Takahashi S., Ohtani E., Sakai T., Hirao N., Ohishi Y. AGU Fall Meeting abstracts. San Francisco, American Geophysical Union, 2012, MR11B-2489. 48. Togo A., Tanaka I. First principles phonon calculations in materials science // Scripta Mater., 2015, v. 108, p. 1-5. 49. Vočadlo L., Brodholt J., Dobson D.P., Knight K., Marshall W., Price G.D., Wood I.G. The effect of ferromagnetism on the equation of state of Fe3C studied by first-principles calculations // Earth Planet. Sci. Lett., 2002, v. 203, p. 567-575. 50. Wang W.-K., Iwasaki H., Fukamichi K. Effect of high pressure on the crystallization of an amorphous Fe83B17 alloy // J. Mater. Sci., 1980, v. 15, p. 2701-2708. 51. Weerasinghe G.L., Needs R., Pickard C.J. Computational searches for iron carbide in the Earth's inner core // Phys. Rev. B, 2011, v. 84, p. 174110. 52. Weerasinghe G.L., Pickard C.J., Needs R. Computational searches for iron oxides at high pressures // J. Phys. Condensed Matter, 2015, v. 27, p. 455501. 53. Wood B.J. Carbon in the core // Earth Planet. Sci. Lett., 1993, v. 117, p. 593-607. 54. Wood B.J., Li J., Shahar A. Carbon in the core: its influence on the properties of core and mantle // Rev. Mineral. Geochem., 2013, v. 75, p. 231-250.