[論文レビュー] Unconventional phase selection in high-driven systems: A complex metastable structure prevails over simple stable phases

Zhuo Ye, Feng Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 32被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、高駆動系において、一般に安定とされる単純な相よりも複雑な準安定立方相（1.4 nmの格子定数、約140原子）が優先的に形成される、非従来の相選択メカニズムを明らかにした。この相は、アモルファス行列内の構造的整列と関連した低エネルギー障壁経路を経て核化し、欠际耐性が高いため、従来の核化経路を回避して急速に成長する。

ABSTRACT

Phase selection in deeply undercooled liquids and devitrified glasses during heating involves complex interplay between the barriers to nucleation and the ability for these nuclei to grow. During the devitrification of glassy alloys, complicated metastable structures often precipitate instead of simpler, more stable compounds. Here, we access this unconventional type of phase selections by investigating an Al-10%Sm system, where a complicated cubic structure first precipitates with a large lattice parameter of 1.4 nm. We not only solve the structure of this "big cubic" phase containing ~140 atoms but establish an explicit interconnection between the structural orderings of the amorphous alloy and the cubic phase, which provides a low-barrier nucleation pathway at low temperatures. The surprising rapid growth of the crystal is attributed to its high tolerance to point defects, which minimize the short-scale atomic rearrangements to form the crystal. Our study suggests a new scenario of devitrification, where phase transformation proceeds initially without partitioning through a complex intermediate crystal phase.

研究の動機と目的

• 過冷したガラス状合金の脱ガラス化過程において、単純でより熱力学的に安定な相よりも複雑な準安定相が優先して形成される理由を理解すること。
• 高駆動系において、複雑な立方相の急速な成長を可能にする核化メカニズムを同定すること。
• アモルファス行列と準安定結晶相との間の構造的関連を確立すること。
• 原子の広範な再配列を伴わずに急速な結晶成長を可能にする欠际耐性の役割を明らかにすること。
• 中間相を経由しない複雑な準安定相を経由する新しい脱ガラス化経路を提案すること。

提案手法

• 高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）および回折分析を用いた準安定立方相の構造的特徴の評価。
• 核化障壁と原子再配列の評価のためのab initio分子動力学シミュレーション。
• 逆モンテカルロ法を用いたアモルファス構造の解析により、局所的な配列を同定。
• アモルファス相の構造的特徴と結晶構造の相関を分析し、低障壁核化経路を同定。
• エネルギー計算と原子変位解析による欠际耐性の定量的評価。
• 複雑な相と単純な安定相の間の核化・成長動力学の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高駆動系において、なぜ複雑な準安定立方相が単純でより熱力学的に安定な相よりも優先して形成されるのか？
• RQ2 アモルファス行列にどのような構造的特徴が、複雑な立方相の低エネルギー障壁核化を可能にするのか？
• RQ3 高い欠际耐性は、準安定相の急速な成長にどのように寄与しているのか？
• RQ4 中間相を段階的に経由する必要なく、変換経路を説明できるか？
• RQ5 アモルファス合金と析出する立方相との明示的な構造的関係は何か？

主な発見

• Al-10%Smにおける準安定立方相の格子定数は1.4 nmであり、約140原子を含む。
• アモルファス行列内の局所的整列と立方相の結晶構造との間で明確な構造的相関が確立され、低障壁核化経路が可能になった。
• この相は点欠际に対して高い耐性を示し、成長過程における広範な原子再配列の必要性が最小限に抑えられる。
• 複雑な相であるにもかかわらず、欠际耐性と低核化障壁のおかげで急速な結晶成長が実現している。
• 脱ガラス化プロセスは、従来の経路を経由せず、直接的に複雑な準安定相に変化する。
• 本研究は、熱力学的安定相よりも動的利点が優るため、複雑な準安定相が支配的になる新しい脱ガラス化シナリオを明らかにした。