[論文レビュー] Orientation gradients in rapidly solidified pure aluminum thin films: comparison of experiments and phase-field crystal simulations

Paul Jreidini, Tatu Pinomaa+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Solidification and crystal growth phenomena参考文献 37被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、純鉄アルミニウム薄膜における急速凝固を模擬するため、固体、液体、気体相を捉える単一成分の位相場結晶（PFC）モデルを提案する。粗粒度化された振幅表現を用いることで、超速冷却下における単一結晶内の方位勾配が実験的に観察されたものと一致し、それらが欠陥形成（例：不本領や空孔）と因果的に関連していることが明らかになった。

ABSTRACT

Rapid solidification experiments on thin film aluminum samples reveal the presence of lattice orientation gradients within crystallizing grains. To study this phenomenon, a single-component phase-field crystal (PFC) model that captures the properties of solid, liquid, and vapor phases is proposed to model pure aluminium quantitatively. A coarse-grained amplitude representation of this model is used to simulate solidification in samples approaching micrometer scales. The simulations reproduce the experimentally observed orientation gradients within crystallizing grains when grown at experimentally relevant rapid quenches. We propose a causal connection between formation of defects and orientation gradients.

研究の動機と目的

• 急速凝固する純鉄アルミニウム薄膜内における格子方位勾配の起源を調査すること。
• 超速凝固における実験的観察と原子スケールのメカニズムの間のギャップを埋めること。
• 実験的に関連する冷却速度で微細組織の進化をシミュレートできる定量的PFCモデルの開発。
• 欠陥形成と方位勾配の出現との間の因果的関連を確立すること。

提案手法

• 液体、気体、固体相を含む自由エネルギー関数に基づく単一成分PFCモデルを採用する。
• 粗粒度化された振幅展開を用いて、マイクロメートルスケールの大きな系をシミュレートする。
• 自由エネルギー関数には、温度依存パラメータ（pl, ql）と二点相関関数C(2)を組み込み、2次元三角格子構造を安定化する。
• 純アルミニウムの三相点近傍の熱力学的相図に一致するようにモデルをキャリブレーションする。
• 実験的レーザー誘発再凝固を模倣するため、急速冷却条件下でシミュレーションを実施する。
• 不本領、空孔、準境界などの欠陥構造が方位勾配とどのように関連するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルミニウム薄膜の急速凝固中に単一結晶内に方位勾配が形成される原因は何か？
• RQ2 不本領や空孔などの欠陥構造は、方位勾配の発展とどのように相関するか？
• RQ3 位相場結晶モデルは、純アルミニウムで実験的に観察された方位勾配を定量的に再現できるか？
• RQ4 気体相の閉じ込めは、方位勾配および欠陥アレイの形成に果たす役割は何か？
• RQ5 超速凝固過程における欠陥ダイナミクスは、時間経過とともにどのように変化するか？

主な発見

• PFCシミュレーションは、急速凝固中の単一結晶内における実験的に観察された方位勾配を成功裏に再現した。
• シミュレーションにより、方位勾配は特に欠陥密度が高い領域において、不本領アレイや空孔の存在と強く相関していることが明らかになった。
• 双極子的応力場を有する不本領の列と不規則に配置された欠陥が、単一結晶内に形成され、それらが方位勾配と一致していた。
• 空孔と不本領アレイは動的に進化しており、一部の欠陥アレイでは時間経過とともに不本領と空孔の間の変換が観察された。
• 単一結晶内の局所的な欠陥クラスタリングと格子不適合の緩和と関連して、準境界（結晶内での不整合な方位領域）が形成された。
• モデルは、方位勾配が結晶粒界の移動の結果ではなく、超速凝固過程における複雑な欠陥ダイナミクスの結果として生じることを示した。