The atomic level structure of the TiO2–NiTi interface

文献情報

出版日 2010-06-15
DOI 10.1039/C002562C
インパクトファクター 3.676
著者

M. Nolan, S. A. M. Tofail


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要旨

The biocompatibility of NiTi shape memory alloys (SMA) has made possible applications in invasive and minimally invasive biomedical devices. The NiTi intermetallic alloy spontaneously forms a thin passive layer of TiO2, which provides its biocompatibility. The oxide layer is thought to form as Ti in the alloy reacts with oxygen. In this paper, we study the details of the oxide–alloy interface. The atomic model is the (110) NiTi surface interfaced with the (100) rutile TiO2 surface; this combination provides the best lattice match of alloy and oxide. When the interface forms, static minimisations and molecular dynamics show that there is no migration of atoms between the alloy and the oxide. In the alloy there are some notable structural relaxations. We find that a columnar structure appears in which alternating long and short Ni–Ti bonds are present in each surface and subsurface plane into the fourth subsurface layer. The oxide undergoes some structural changes as a result of terminal oxygen coordinating to Ti in the NiTi surface. The electronic structure shows that Ti3+ species are present at the interface, with Ti4+ in the bulk of the oxide layer and that the metallic character of the alloy is unaffected by the interaction with oxygen, all of which is consistent with experiment. A thermodynamic analysis is used to examine the stability of different possible structures—a perfect interface and one with Ti and O vacancies. We find that under conditions typical of oxidation and shape memory treatments, the most stable interface structure is that with Ti vacancies in the alloy surface, leaving an Ni-rich layer, consistent with the experimental findings for this interface.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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