[논문 리뷰] An integral method for the calculation of the reduction in interfacial free energy due to interfacial segregation

Ivan Blum, Sung‐Il Baik외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

Advanced Materials Characterization Techniques참고 문헌 50인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 원자 프로브 톰그래피(APT)로 측정한 농도 프로파일을 이용하여 내부 인터페이스에서 용질의 분할에 의해 유도되는 표면 자유 에너지 감소를 계산하기 위한 적분 방법을 제시한다. 이 방법은 동상 및 异상 인터페이스 모두에 대해 이산적이고 정량적인 표면 자유 에너지 감소 평가를 가능하게 하며, PbTe-PbS:Na 및 Ni 기반 합금 600 시스템에서 B/Si 분할을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

A method based on the Gibbs' adsorption isotherm is developed to calculate the decrease in interfacial free energy resulting from solute segregation at an internal interface, built on measured concentration profiles. Utilizing atom-probe tomography (APT), we first measure a concentration profile of the relative interfacial excess of solute atoms across an interface. To accomplish this we utilize a new method based on J. W. Cahn's formalism for the calculation of the Gibbs interfacial excess. We also introduce a method to calculate the decrease in interfacial free energy that is caused by the segregating solute atoms. This method yields a discrete profile of the decrease in interfacial free energies, which takes into account the measured concentration profile and calculated Gibbsian excess profile. We demonstrate that this method can be used for both homo- and hetero-phase interfaces and takes into account the actual distribution of solute atoms across an interface as determined by APT. It is applied to the case of the semiconducting system PbTe-PbS 12 mol.%-Na 1 mol.%, where Na segregation at the PbS/PbTe interface is anticipated to reduce the interfacial free energy of the {100} facets. We also consider the case of the nickel-based Alloy 600, where B and Si segregation are suspected to impede inter-granular stress corrosion cracking (IGSCC) at homo- (GB) and hetero-phase metal carbide (M7C3) interfaces. The concentration profiles associated with internal interfaces are measured by APT using an ultraviolet (wavelength = 355 nm) laser to dissect nanotips on an atom-by-atom and atomic plane-by-plane basis.

연구 동기 및 목표

• 용질 분할에 의한 표면 자유 에너지 감소를 정량적으로 계산하기 위한 방법을 개발하기 위해.
• 원자 프로브 톰그래피(APT)로 측정한 실험적 농도 프로파일을 이용하여 표면 자유 에너지 변화를 정확하게 평가할 수 있도록 하기 위해.
• Gibbs의 형식을 동상 및 이종 상 시스템의 내부 인터페이스로 확장하기 위해.
• 실제 원자 척도 분할 분포를 고려한 이산적이고 프로파일 기반의 표면 자유 에너지 감소 계산을 제공하기 위해.
• 용질 분할이 인터페이스 안정성에 영향을 줄 수 있는 실제 재료 시스템, 예를 들어 PbTe-PbS:Na 및 Ni 기반 합금 600에 이 방법을 적용하기 위해.

제안 방법

• APT 농도 프로파일에서 J. W. Cahn의 형식을 이용해 Gibbs 표면 과잉을 계산한다.
• 용질 분할에 의한 표면 자유 에너지 감소를 계산하기 위해 적분 형태의 Gibbs 흡착 Isotherm을 적용한다.
• 초기 레이저 에어로이션(355 nm, UV)을 통해 수집한 APT 데이터를 처리하여 인터페이스를 관통하는 원자 척도의 평면별 농도 프로파일을 확보한다.
• 측정된 용질 과잉과 인터페이스를 관통한 농도 분포를 통합하여 표면 자유 에너지 감소의 이산적 프로파일을 구성한다.
• 이종 상(PbS/PbTe) 및 동종 상(Ni 기반 합금의 격자 경계 및 M7C3 탄화물) 인터페이스에서 방법을 검증한다.
• 실제 공간 분포를 반영한 분할 용질의 분포 기반으로 수치 적분을 이용해 에너지 변화를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 농도 프로파일로부터 용질 분할에 의한 표면 자유 에너지 감소를 정량적으로 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ2 PbS/PbTe 인터페이스에서 Na 분할이 표면 자유 에너지를 얼마나 감소시키며, 이는 인터페이스 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 합금 600의 격자 경계 및 M7C3 탄화물 인터페이스에서 B 및 Si 분할은 표면 자유 에너지와 균열 발생에 대한 저항성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 APT로 측정된 비균일한 용질 분포를 가진 내부 인터페이스에 대해 Gibbs 형식을 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 용질 분할의 공간 해상도 기반 기여는 원자 평면별로 표면 자유 에너지 감소에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 이 방법은 APT로 측정한 농도 및 Gibbs 과잉 프로파일을 기반으로 이산적이고 공간 해상도가 확보된 표면 자유 에너지 감소 프로파일을 성공적으로 계산한다.
• 12 mol.%-Na 1 mol.% PbTe-PbS의 {100} 면에서 Na 분할이 표면 자유 에너지를 크게 감소시켜 인터페이스를 안정화시킬 것으로 예측된다.
• Ni 기반 합금 600의 격자 경계 및 M7C3 탄화물 인터페이스에서 B 및 Si 분할은 표면 자유 에너지를 감소시키며, 이는 균열 발생에 대한 저항성을 높일 수 있다.
• 이 방법은 동종 및 이종 상 인터페이스 모두에 적용 가능하여 광범위한 재료 체계의 호환성을 보여준다.
• UV 레이저 APT를 사용함으로써 원자 평면별로 고해상도의 용질 분포 측정이 가능하여 정확한 에너지 계산에 필수적인 조건을 제공한다.
• 적분 방법은 원자 척도 분할과 거시적 표면 자유 에너지 변화를 직접적으로 연결하는 실험 기반의 명확한 경로를 제공한다.