J. Phys. France 47, 2087-2094 (1986)
DOI: 10.1051/jphys:0198600470120208700

On the electronic structures of lattice defects in s, p, d-valence metals

K. Masuda-Jindo

Department of Materials Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 227, Japan

Abstract
The electronic structures of lattice defects, single vacancy, stepped surface, surface kink and sharp cleavage crack, in s, p, d-valence (transition and noble) metals are investigated using the improved tight-binding (TB) recursion method : in these calculations, nine s, p and d-basis orbitals are introduced and the sp-d hybridization effects are fully taken into account. For a vacancy, we have found that the atomic sites very close to a vacancy (e.g., first nearest-neighbour atoms in the fcc crystal) can primarily contribute to the vacancy formation energy and contributions coming from more distant atomic sites are less important. This gives a support for the earlier theoretical treatment based on the second moment approximation for the similar problems. Surface step and surface kink electronic structure calculations are performed for the different kinds of steps and kinks, and it is shown that kink density of states (DOS) are almost independent of the kink type and only depend on the crystal structure, in agreement with the thermodynamical consideration. In addition, we also investigate the electronic structures of a sharp cleavage crack in s, p, d-valence metals and discuss the chemical reactivity of the crack tip in conjunction with the stress corrosion cracking (SCC). Due to these electronic structure calculations, we demonstrate the applicability of the improved TB recursion method to the various lattice defect problems.

Résumé
Nous étudions la structure électronique des défauts de réseau, lacunes, marches, crans de surface et fissures de clivage, dans les métaux de valence s, p, d (nobles et de transition) en utilisant une méthode de liaison forte améliorée. Dans ces calculs, 9 orbitales de base s, p et d sont introduites et les effets d'hybridation sp-d sont pris en compte. Pour une lacune, nous avons trouvé que les sites atomiques très proches de celle-ci (les atomes premiers voisins dans un cristal cubique à faces centrées) contribuent principalement à l' énergie de formation de lacune et que les contributions des sites atomiques plus éloignés de la lacune sont moins importantes. Ceci justifie les premiers traitements théoriques basés sur l'approximation du second moment. Les calculs de structure électronique des marches et des crans de surface sont faits pour différents cas et il est montré que les densités d'états sont presque indépendantes du type de cran et dépendent seulement de la structure cristalline, en accord avec des considérations thermodynamiques. En outre, nous avons étudié les structures électroniques de fissures de clivage dans des métaux de valence s, p, d et discuté la réactivité chimique de la pointe de la fissure en conjonction avec le fendillement de corrosion. A l'aide de calculs de structure électronique, nous démontrons l'applicabilité de la méthode de liaison forte améliorée aux problèmes liés aux défauts de réseau.

PACS
6172 - Defects and impurities in crystals; microstructure.
6172J - Point defects (vacancies, interstitials, color centers, etc.) and defect clusters.
6220M - Fatigue, brittleness, fracture, and cracks.
7155A - Metals, semimetals, and alloys.

Key words
defect electron energy states -- kink bands -- metals -- recursion method -- stress corrosion cracking -- surface electron states -- surface structure -- tight binding calculations -- transition metals -- vacancies crystal