[論文レビュー] An integral method for the calculation of the reduction in interfacial free energy due to interfacial segregation

Ivan Blum, Sung‐Il Baik+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 50被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、原子プローブトモグラフィー（APT）で測定された濃度プロファイルを用いて、内部界面における溶質の偏析による界面自由エネルギーの低下を計算するための積分法を提示する。この方法により、同相および異相界面の両方において、離散的で定量的な界面エネルギー低下の評価が可能となり、PbTe-PbS:Naおよびニッケル基底合金600系において実証された。

ABSTRACT

A method based on the Gibbs' adsorption isotherm is developed to calculate the decrease in interfacial free energy resulting from solute segregation at an internal interface, built on measured concentration profiles. Utilizing atom-probe tomography (APT), we first measure a concentration profile of the relative interfacial excess of solute atoms across an interface. To accomplish this we utilize a new method based on J. W. Cahn's formalism for the calculation of the Gibbs interfacial excess. We also introduce a method to calculate the decrease in interfacial free energy that is caused by the segregating solute atoms. This method yields a discrete profile of the decrease in interfacial free energies, which takes into account the measured concentration profile and calculated Gibbsian excess profile. We demonstrate that this method can be used for both homo- and hetero-phase interfaces and takes into account the actual distribution of solute atoms across an interface as determined by APT. It is applied to the case of the semiconducting system PbTe-PbS 12 mol.%-Na 1 mol.%, where Na segregation at the PbS/PbTe interface is anticipated to reduce the interfacial free energy of the {100} facets. We also consider the case of the nickel-based Alloy 600, where B and Si segregation are suspected to impede inter-granular stress corrosion cracking (IGSCC) at homo- (GB) and hetero-phase metal carbide (M7C3) interfaces. The concentration profiles associated with internal interfaces are measured by APT using an ultraviolet (wavelength = 355 nm) laser to dissect nanotips on an atom-by-atom and atomic plane-by-plane basis.

研究の動機と目的

• 溶質の界面偏析に起因する界面自由エネルギー低下を定量的に計算するための手法を開発すること。
• 原子プローブトモグラフィー（APT）で測定された実験的濃度プロファイルを用いて、界面エネルギー変化を正確に評価すること。
• ギブズの形式的枠組みを同相および異相系の両方における内部界面に拡張すること。
• 実際の原子スケールの偏析分布を考慮した、離散的でプロファイルベースの界面エネルギー低下の計算を提供すること。
• 界面安定性に影響すると考えられる実材料系（例：PbTe-PbS:Naおよびニッケル基底合金600）に、この手法を適用すること。

提案手法

• APTで得られた濃度プロファイルからギブズの界面過剰を計算するために、J. W. Cahnの形式的枠組みを用いる。
• 溶質偏析に起因する界面自由エネルギー低下を計算するために、ギブズの吸着等温線を積分形で適用する。
• 紫外線（355 nm）レーザー焼却を用いて収集したAPTデータを処理し、界面を横断する原子スケールの平面別濃度プロファイルを取得する。
• 測定された溶質過剰と濃度分布を統合することで、界面エネルギー低下の離散的プロファイルを構築する。
• 異相界面（PbS/PbTe）および同相界面（ニッケル基底合金のグレインバウンダリーおよびM7C3炭化物）の両方で、手法の妥当性を検証する。
• 実際の空間的分布に基づいたエネルギー変化を計算するために、数値積分法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定された濃度プロファイルから、溶質偏析に起因する界面自由エネルギー低下をどのように定量的に計算できるか。
• RQ2 PbS/PbTe界面におけるNaの偏析が界面エネルギーをどの程度低減させ、界面安定性にどのように影響するか。
• RQ3 ニッケル基底合金600のグレインバウンダリーおよびM7C3炭化物界面におけるBおよびSiの偏析が、界面エネルギーおよびグレインバウンダリー応力腐食割れへの耐性にどのように影響するか。
• RQ4 APTで測定された非均一な溶質分布を持つ内部界面に対し、ギブズ形式的枠組みをどのように適応可能にするか。
• RQ5 溶質偏析が原子平面ごとに界面エネルギー低下にどのように寄与するか、空間的に分解能をもって評価できるか。

主な発見

• 本手法は、APTで測定された濃度およびギブズ過剰プロファイルに基づき、離散的で空間的に分解能のある界面自由エネルギー低下プロファイルを成功して計算した。
• PbTe-PbS 12 mol.%-Na 1 mol.% の {100} フェースにおけるNaの偏析は、界面自由エネルギーを顕著に低減すると予測され、界面の安定化に寄与すると考えられる。
• ニッケル基底合金600のグレインバウンダリーおよびM7C3炭化物界面におけるBおよびSiの偏析は、界面エネルギーを低減することが示され、グレインバウンダリー応力腐食割れの抑制に寄与する可能性がある。
• 本手法は同相および異相界面の両方へ適用可能であり、広範な材料系への適合性を示した。
• UVレーザーAPTの使用により、正確なエネルギー計算に不可欠な高分解能の原子平面別溶質分布測定が可能となった。
• 積分法により、原子スケールの偏析とマクロな界面エネルギー変化を直接的に実験的根拠に基づいて結びつける道筋が提供された。