[論文レビュー] Generation of defects and disorder from deeply quenching a liquid to form a solid

Andrew J. Archer, M. C. Walters+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Material Dynamics and Properties被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、液体を深く急冷することで、線形に駆動される結晶化フロントが生成する密度周期的変動の波長と平衡結晶格子定数との不一致によって、顕著な欠陥と無秩序が生じることを示している。2次元ソフトコア粒子系における動的密度汎関数理論（DDFT）を用いて、著者らは、深く急冷された系において、高速で引き抜かれたフロントが非平衡的な周期的変動を生じさせ、無秩序な構造を生成することを示した。特に、多成分系では運動的制約が働き、無秩序が持続する。

ABSTRACT

We show how deeply quenching a liquid to temperatures where it is linearly unstable and the crystal is the equilibrium phase often produces crystalline structures with defects and disorder. As the solid phase advances into the liquid phase, the modulations in the density distribution created behind the advancing solidification front do not necessarily have a wavelength that is the same as the equilibrium crystal lattice spacing. This is because in a deep enough quench the front propagation is governed by linear processes, but the crystal lattice spacing is determined by nonlinear terms. The wavelength mismatch can result in significant disorder behind the front that may or may not persist in the latter stage dynamics. We support these observations by presenting results from dynamical density functional theory calculations for simple one- and two-component two-dimensional systems of soft core particles.

研究の動機と目的

• 液体の深く急冷された状態で、系が線形不安定なスピンダル領域にある場合に、固体化過程における欠陥形成がどのように生じるかを調査すること。
• 結晶化フロントの伝播速度と波数選択が、得られる固体における構造的無秩序度に与える影響を理解すること。
• 高速な結晶化フロントの後方で生成された無秩序が、熱力学的に緩和可能かどうか、特に多成分系においてはその無秩序が凍結されたまま残るかを検討すること。
• 単分散の単一成分系と多分散または二成分混合系との間で、欠陥の修復および構造的緩和ダイナミクスの観点から、挙動を比較すること。

提案手法

• 深く急冷後の2次元ソフトコア粒子系の非平衡ダイナミクスをモデル化するために、動的密度汎関数理論（DDFT）を用いる。
• 単一成分および二成分の2次元系をシミュレートし、単分散と多分散状態における欠陥形成および緩和を比較する。
• 固体化フロントの背後における密度変動の波数とフロント伝播速度を分析し、フロントが引き抜かれた（線形的に決定）か、押しあげられた（非線形的に決定）かを特定する。
• 結合角分布解析および密度ピークの同定を用いて、構造的秩序を定量化し、六角形、正方形、または混合配列の存在を検出する。
• 結合角分布におけるピークの広がりの時間発展を追跡し、欠陥緩和が時間経過とともにどのように進行するかを評価する。
• 異なる急冷深さの結果を比較することで、線形的（引き抜かれた）フロント支配の領域と非線形的（押しあげられた）フロント支配の領域を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深く急冷された液体の固体化過程において、平衡相が良好に整った結晶であるにもかかわらず、欠陥と無秩序がどのように生成されるのか？
• RQ2 深く急冷された系において、結晶化フロントの背後に蓄積される密度変動の波長は何かを決定するのか？ また、それは平衡結晶格子定数とどのように比較されるか？
• RQ3 高速で線形的に駆動されるフロントの背後に生成された無秩序が、長時間にわたり持続する条件は何か、特に多成分系においては？
• RQ4 初期に六角形秩序を示す急冷二成分系において、60°における結合角分布ピークが時間経過とともに広がるのはなぜか？
• RQ5 浅い急冷（非線形的、押しあげられたフロント）と深い急冷（線形的、引き抜かれたフロント）の間で、フロント速度および波数選択はどのように異なるか？

主な発見

• 深く急冷された系では、線形的ダイナミクスに支配される結晶化フロントが形成され、平衡結晶格子定数と一致しない波長の密度変動が生じる。
• 単一成分系では、粒子の再配置により初期の無秩序が時間経過とともに大きく修復され、良好に整った構造が形成される。
• 二成分混合系では、波数の不一致によって生じる構造的無秩序が運動的に閉じ込められ、緩和せず、持続的な欠陥と正方および六角形の混合配列が生じる。
• φ = 0.75 の急冷二成分系では、60°における結合角分布ピークが時間経過とともに広がり、歪み緩和のための欠陥形成に起因する無秩序の増大が示唆される。
• フロント速度と波数は、系が引き抜かれたフロント領域（T < Tx）に達するほどに深く急冷された場合に限り、線形プロセスによって決定される。このとき、フロント速度は非線形的フロントを上回る。
• 無秩序の生成メカニズムは、深く急冷された場合に特有である。浅い急冷では核化と成長が支配的であり、その結果得られる構造は一般的により秩序あるものとなる。