ON THE STABILITY OF (001) CSL TWIST BOUNDARIES IN MgO : A THEORETICAL STUDY

Résumé
Les énergies de joints de torsion en coïncidence (001) ont été calculées pour MgO à l'aide d'un programme de calcul sur ordinateur développé récemment. On a utilisé les potentiels interioniques empiriques de Catlow, Faux et Norgett, ainsi que les potentiels de gaz électronique de Mackrodt et Stewart. On trouve que, contrairement aux expériences de Sun et Balluffi sur les bicristaux de MgO, les joints de grains (001) dans MgO pur sont instables au-dessus de la température ambiante. La raison pour cela est que leur force cohésive principale provient des interactions attractives de Van der Waals assez faibles entre les ions d'oxygène sur les côtés opposés de l'interface, tandis que les interactions coulombiennes ne contribuent pas à la cohésion. En calculant l'énergie de liaison des impuretés isovalentes substitutionnelles Fe²⁺ et Ca²⁺ avec le joint Σ = 5 et avec la surface libre (001), on trouve que ces impuretés pourraient contribuer à la stabilisation des bicristaux de ce type parce qu'elles sont liées plus fortement au joint de grains qu'à la surface libre. En conclusion, les bicristaux utilisés par Sun et Balluffi ont été stabilisés par des impuretés qui ont diffusé vers le joint de grains pendant le frittage sous pression à hautes températures.

Abstract
The energies of (001) coincident-site twist boundaries in MgO have been calculated by means of a computer code developed in recent years. Both the empirical interionic potentials of Catlow, Faux, and Norgett as well as the electron gas potentials of Mackrodt and Stewart have been applied. It is concluded that, in contradiction to the MgO bicrystal experiments of Sun and Balluffi, (001) grain boundaries in pure MgO are unstable above room temperature since their main cohesive force arises from rather weak Van-der-Waals attractive interactions between oxygen ions on opposite sides of the interface, while Coulomb interactions do not contribute to the cohesion. A calculation of the binding energy of the isovalent substitutional impurities Fe²⁺ and Ca²⁺ to the Σ = 5 boundary on the one hand and to the free (001) surface on the other yields the interesting result that impurities may contribute to the stabilization of such bicrystals since they may be bound more tightly to the grain boundary than to the free surface. It is therefore concluded that Sun and Balluffi's bicrystals have been stabilized by substantial amounts of impurities having migrated into the grain boundary during the high-temperature pressure-sintering process.