[論文レビュー] Vibrational and configurational entropy separation in bulk metallic glasses: A thermodynamic approach

René Alvarez-Donado, Alex Antonelli|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2019

Material Dynamics and Properties被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、平衡でない断熱スイッチングと逆転スケーリングを用いた分子動力学シミュレーションを用いて、結晶性基準を必要とせずに、バルク金属ガラスにおける振動的エントロピーと配置的エントロピーを分離する熱力学的手法を導入した。この手法により、Cu₄₆Zr₄₆Al₈における配置的エントロピーがCu₅₀Zr₅₀に比べて70%高いことが定量的に評価され、実験データと整合し、配置的エントロピーとガラス形成性の関係が明確にされた。

ABSTRACT

We applied an efficient methodology to separate vibrational and configurational entropies in bulk metallic glasses by means of molecular dynamics simulation based on a combination of non-equilibrium adiabatic switching and reversible scaling methods. This approach involves calculating the vibrational free energy using the Einstein crystal as a reference for the solid phase and the recently proposed Uhlenbeck-Ford model for the fluid phase. This methodology has the advantage that it does not require a crystalline solid phase for separating the entropies. Therefore, in principle, it is applicable to any material, regardless of whether or not it has a crystalline phase. Using this methodology, we separate the vibrational and configurational entropies of two metallic glasses with different fragilities at zero external pressure, namely, Cu$_{50}$Zr$_{50}$ and Cu$_{46}$Zr$_{46}$Al$_{8}$. We find that the results for the former alloy are in quite reasonable agreement with recent experimental work by Smith extit{et al.}[H. L. Smith extit{et al.}, Nat. Phys. extbf{13}, 900 (2017)]. We also find the configurational entropy of the glass containing Al to be 70\% larger than that of the other glass. Our results suggest that, although other factors may be at play, the configurational entropy can be used to investigate the effect of the addition of a minor-alloying element on the glass-forming ability of bulk metallic glasses.

研究の動機と目的

• 結晶性基準相を必要としない、バルク金属ガラスにおける振動的エントロピーと配置的エントロピーを熱力学的に一貫した方法で分離するための手法を開発すること。
• 微量合金化元素の存在下における配置的エントロピーがガラス形成性を決定づける役割を調査すること。
• Cu₅₀Zr₅₀金属ガラスについて、最近の実験データと本手法を照合して妥当性を検証すること。
• 異なる脆さを示す2種の金属ガラス（Cu₅₀Zr₅₀ および Cu₄₆Zr₄₆Al₈）における配置的エントロピーの寄与を比較すること。

提案手法

• ガラス状態と基準状態の間の自由エネルギー差を計算するために、非平衡断熱スイッチングを用いた分子動力学シミュレーションを実施。
• 固体相の振動的自由エネルギー寄与を計算するため、エインシュタイン結晶を基準として用いた。
• 流体相の自由エネルギー寄与を計算するために、ウーレンバック＝フォードモデルを適用した。
• 自由エネルギー推定の収束性と精度を向上させるために、逆転スケーリング技術を導入した。
• これらの手法を統合し、全エントロピーから振動的寄与を差し引くことで配置的エントロピーを分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶性基準構造を必要とせずに、金属ガラスにおける振動的エントロピーと配置的エントロピーを正確に分離できるか？
• RQ2 微量合金化元素（Al）の添加が、バルク金属ガラスの配置的エントロピーにどのように影響を与えるか？
• RQ3 計算された配置的エントロピーは、Cu₅₀Zr₅₀についての実験測定値とどの程度相関しているか？
• RQ4 ガラスの脆さが、振動的エントロピーと配置的エントロピーの相対的寄与にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 結晶相を必要とせず、任意のアモルファス材料に適用可能な、振動的エントロピーと配置的エントロピーの分離に成功した。
• Cu₄₆Zr₄₆Al₈における計算された配置的エントロピーは、Cu₅₀Zr₅₀に比べて70%高いことが判明し、Al添加による顕著な増加が示された。
• Cu₅₀Zr₅₀の振動的エントロピー寄与は、Smithら（Nat. Phys. 13, 900, 2017）の実験データと整合しており、本手法の正確性が裏付けられた。
• Al含有ガラスにおける高い配置的エントロピーは、ガラス形成に向けたより強い熱力学的駆動力であることを示唆し、ガラス形成性の向上に寄与する役割を支持する。