Étude théorique des propriétés physiques des matériaux à intérêt géophysique à base de Fe-Ni-X (X=C, N, Si, S, O) et de mélange de He et H : Étude ab-initio.

Abstract

Le noyau terrestre contient du fer, du nickel (5-10%) et des éléments légers comme le carbone (C), l'oxygène (O), le silicium (Si), l'hydrogène (H) et le soufre (S). Dans cette étude, nous considérons des alliages binaires Fe-Ni avec une teneur en nickel de 10% comme matériau hôte, dopé avec des atomes d'impureté légers pour créer des alliages ternaires. La phase hexagonale compacte (HCP) de l'alliage Fe-Ni, et la phase cubique centrée sur la face et la phase cubique centrée sur le corps sont étudiées dans ce travail de recherche. Les atomes d'impureté C, O, Si et S ont été placés dans l'alliage hôte Fe-Ni pour créer des alliages ternaires pour les phases BCC et FCC, tandis que les atomes d'impureté C, O, Si, S et H ont été placés pour créer des alliages ternaires pour la phase HCP. Les systèmes ternaires obtenus ont été soumis à une pression équivalente à celle existant au coeur de la Terre. Les énergies de formation indiquent que ces alliages sont stables et avantageux. La résistivité des impuretés a été calculée à l'aide de la formule de Kubo-Greenwood, et les résistivités électriques commencent à saturer à environ 30% de la concentration atomique des impuretés. Les résistivités chutent généralement avec l'augmentation de la pression. La conductivité thermique a également été déterminée à partir des résistivités électriques calculées, et une augmentation d'environ 1,5% de la conductivité thermique a été observée pour la compression entre BCC et FCC. Nous avons étudié les propriétés thermodynamiques et physiques des mélanges d'hélium et d'hydrogène. L'équation d'état à haute pression pour les mélanges He0.90H0.10 et He0.70H0.30 a été calculée pour les structures cristallines BCC, FCC et HCP. La résistivité électrique des structures mentionnées a été calculée pour des mélanges contenant 10, 15, 20 et 30% de H, et l'enthalpie de ces mélanges a été déduite pour les trois structures cristallines. Des résultats de calcul de la résistivité électrique, de la conductivité thermique et de l'énergie sont fournis pour les différentes structures cristallines et les mélanges d'hélium et d'hydrogène.