[論文レビュー] Quasicrystal nucleation in an intermetallic glass-former

Hornfeck, Wolfgang, Raphaël Kobold+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2014

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、電界浮上法と高速撮影を用いて、ニッケルジルコニウム（NiZr）の金属間化合物ガラス形成体において、均一核化と連続的成長を示す十重対称準結晶的核の観察を報告する。準結晶は十重対称な枝晶構造に成長し、イコサヘドロン対称性と黄金比スケーリングを介して、準結晶、多重対称結晶、およびガラス状態を結ぶ歪みのない対称性モデルを明らかにする。

ABSTRACT

The discovery of quasicrystals 30 years ago challenged our understanding of order at the atomic scale. While quasicrystals possess long-range orientational order they lack translation periodicity. Structurally complex, yet crystalline intermetallics and (bulk) metallic glasses represent competing states of condensed matter among metallic phases, including peculiarities like the q-glass. Considerable progress has been made in their structure elucidation and in identifying factors governing their formation; comparatively less is known about their interrelation. Moreover, studies bridging the spatial scales from atoms to the macroscale are scarce. Here we report on the homogeneous nucleation of a single quasicrystalline seed of decagonal symmetry and its continuous growth into a tenfold twinned dendritic microstructure. Electrostatic levitation was applied to undercool melts of glass-forming NiZr, observing single crystallization events with a high-speed camera; with a statistical evaluation of 200 consecutive thermal cycles suggesting homogeneous nucleation. The twinned dendritic microstructure, apparent in electron backscatter diffraction maps, results from the symmetry breaking of an essentially 2D decagonal quasicrystalline cluster. Conserving its long-range orientational order, our distortion-free twin model merges a common structure type for binary intermetallic compounds, with interatomic distances of alike atoms scaled by the golden ratio, and spiral growth resembling phyllotaxis. NiZr represents a missing link connecting quasicrystals and multiple twinned structures sheding light on intermediate states of order between glasses, crystals and their twins, and quasicrystals.

研究の動機と目的

• 良好に定義された金属間化合物ガラス形成体における準結晶の核化および成長機構を調査すること。
• 中間的な秩序状態を同定することで、準結晶、多重対称結晶、金属的ガラスの間のギャップを埋めること。
• 容器フリー条件下でNiZrにおける準結晶核化が均一に起こるかどうかを特定すること。
• 観察された枝晶構造とその背後にある準結晶的対称性および原子スケール構造との相関関係を特定すること。
• イコサヘドロン的短距離秩序、準結晶的長距離指向秩序、および対称結晶の枝晶的成長を結ぶ構造的モデルを確立すること。

提案手法

• ニッケルジルコニウム（NiZr）溶融状態の容器フリー処理を実現するため、静電浮上法（ESL）を用い、高純度の過冷却と不均一核化の抑制を達成した。
• 200回の連続した熱サイクルを実施し、高速カメラ（HSC）による撮影を実施することで、核化および成長ダイナミクスを捉え、核化行動の統計的分析を可能にした。
• 結晶学的方位をマッピングし、微細構造内の十重対称性および一貫した対称境界を確認するために、走査型電子線回折（EBSD）を用いた。
• 化学的均一性および相の同定を確認するため、走査型電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を実施した。
• 断面微細構造の解析により、枝晶的成長の3次元的進化を再構築し、成長方向が十重対称性軸と一致することを確認した。
• イコサヘドロン的配列と黄金比スケーリングに基づく歪みのない対称モデルを提案し、準結晶的秩序と枝晶的対称性成長を結ぶものとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニッケルジルコニウム（NiZr）のような単成分金属間化合物ガラス形成体において、十重対称準結晶の均一核化を観察できるか。
• RQ2 観察された十重対称な枝晶的微細構造とその背後にある準結晶的核との構造的関係は何か。
• RQ3 準結晶の成長形態は、その原子スケールの対称性および長距離指向秩序とどのように関連しているか。
• RQ4 準結晶相がガラス、結晶、およびそれらの対称結晶の間の構造的ブリッジとして果たす程度はどの程度か。
• RQ5 準結晶的秩序と枝晶的対称性の共存を説明する統一モデルを構築できるか。

主な発見

• 200回の連続した熱サイクルによる統計的信頼性に基づき、単一の十重対称準結晶的核の均一核化が観察され、再現可能な核化プロセスであることが示された。
• 準結晶は平均成長速度0.51(4) m/sで十重対称な枝晶構造に成長し、高速撮影により確認された。
• 走査型電子線回折（EBSD）により、約36°の傾斜を持つ10個の主要な結晶粒が観察され、十重対称性に起因するものと一致した。
• 微細構造は、同一の二元金属間化合物構造内の原子間隔が黄金比（φ ≈ 1.618）でスケーリングされた歪みのない対称モデルを示している。
• 成長メカニズムは葉序（Phyllotaxis）に類似し、ペンローズタイルやマッケイの五角形スノーフレーク概念に一致する螺旋状の原子配列を示している。
• NiZrは、準結晶、多重対称結晶、金属的ガラスの間の欠けている接続部分として機能し、これらの競合する相が交差する地点に準結晶相が形成されることを示している。