STRUCTURAL TRANSFORMATION AND SUPERIONIC BEHAVIOR OF A HIGH ANGLE GRAIN BOUNDARY IN CaF₂ : A COMPUTER SIMULATION STUDY

Abstract
Nous présentons les résultats d'une étude par simulation, de la diffusion intergranulaire pour le joint de flexion Σ=5 [001] (210) dans CaF₂, à l'aide de la technique de dynamique moléculaire à température constante. Les interactions entre ions dérivent d'un potentiel de type ions rigides. Nous avons trouvé par minimisation, que le joint de coïncidence correspond au minimum d'énergie interne à T=0 K. Cette structure reste stable jusqu'à T0.2 T_fusion, température à partir de laquelle des mouvements coopératifs des atomes du joint conduisent brutalement à une nouvelle structure. Pour des températures T≥0.44 T_fusion, le coefficient de diffusion des anions dans le joint atteint des valeurs élevées, pouvant être calculées par simulation. Ce comportement pourrait être lié au changement de structure observé. La température critique de comportement superionique à proximité du joint, T^GB_c≤750 K, s'avère être significativement plus faible que celle du matériau massif, T_c=1400 K. De plus, l'analyse détaillée des trajectoires atomiques des anions, montre l'existence de nombreux mécanismes coopératifs, responsables de la superconductivité ionique intergranulaire précoce.

Abstract
We present the results of a molecular dynamics study of diffusion in a Σ=5 [001] (210) tilt grain boundary in CaF₂ using a rigid-ion potential. We found by minimization that the coincidence position corresponds to the lowest energy structure of the boundary. This structure remains stable up to T0.2 T_meiting, a temperature above which a local structural transition occurs. For temperatures T≥0.44 T_melting, enhanced anionic diffusion is observed possibly related to this transformation. The critical temperature for superionic conduction in the grain boundary, T^GB_c≤750 K, is substantially lower than in the bulk, T_c=1400 K. The analysis of the atomic trajectories reveals the existence of a variety of cooperative diffusion mechanisms originating this premature intergranular superionic behavior.