[논문 리뷰] Crystal Growth in the Presence of Surface Melting: Novel Behavior of the Principal Facets of Ice

Kenneth G. Libbrecht, M. E. Rickerby|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 29.

nanoparticles nucleation surface interactions참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 -40°C에서 -2°C 사이의 수증기로부터 빙하의 기저면(0001)과 모서리면(1̄100)의 성장 속도를 측정하여, -15°C 이상에서 표면 융해가 성장 동역학에 크게 영향을 준다는 것을 발견하였다. 데이터는 접합 계수 α(σ) = A exp(-σ₀/σ)를 가진 비결함층 핵형성 모델에 가장 잘 맞으며, 이는 단계 에너지 β(T)가 표면 재구성으로 인해 온도가 상승함에 따라 감소함을 시사한다. 특히 -12°C 근처에서 중요한 전이가 발생하여 뚜렷한 표면 융해가 시작됨을 나타낸다.

ABSTRACT

We present measurements of the growth rates of the principal facet surfaces of ice from water vapor as a function of supersaturation over the temperature range -2 C > T > -40 C. Our data are well described by a dislocation-free layer-nucleation model, parameterized by the attachment coefficient as a function of supersaturation α(σ) = Aexp(-σ_0/σ). The measured parameters A(T) and σ_0(T) for the basal and prism facets exhibit a complex behavior that likely originates from structural changes in the ice surface with temperature, in particular the onset and development of surface melting for T > -15 C. From σ_0(T) we extract the terrace step energy β(T) as a function of temperature for both facet surfaces. As a basic property of the equilibrium ice surface, the step energy β(T) may be amenable to calculation using molecular dynamics simulations, potentially yielding new insights into the enigmatic surface structure of ice near the triple point.

연구 동기 및 목표

• 제어된 조건에서 수증기로부터 빙하의 주요 면(기저면 및 모서리면)의 본질적 성장 동역학을 정량화하기.
• 특히 그 시작과 발달을 포함한 표면 융해가 빙하의 결정 성장 역학에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기.
• 층 핵형성 모델을 사용하여 실험적 성장 데이터에서 온도에 따라 변하는 단계 에너지 β(T)를 추출하기.
• 삼중점 근처에서 표면 융해가 표면 첨착 동역학과 형태 진화에 본질적으로 영향을 미친다는 가설을 검증하기.
• 삼중점 근처에서 빙하 표면 구조의 분자역학 시뮬레이션 검증을 위한 실험 데이터 제공하기.

제안 방법

• 제어된 과포화도와 온도에서 두께 변화를 시간에 따라 추적하기 위해 광학 간섭계를 사용하여 개별 빙하 결정의 성장 속도를 측정하였다.
• 기체상 확산 효과를 최소화하기 위해 저배경 압력 환경을 사용하여 표면 첨착 동역학이 성장에 지배적이도록 하였다.
• 빙하 저장소를 T_IR로, 기질를 T_subst로 설정한 이중 온도 챔버 구조를 사용하여 정밀한 과포화도 σ = T_IR - T_subst를 생성하였다.
• 실험적 성장 속도를 비결함층 핵형성 모델 α(σ) = A exp(-σ₀/σ)에 맞추어, 매개변수 A(T)와 σ₀(T)를 추출하였다.
• 표면 열역학과 성장 동역학을 연결하기 위해 β(T) = kT ln(σ₀(T)/σ₀,ref)를 사용하여 테라스 단계 에너지 β(T)를 계산하였다.
• 온도 간의 결과 비교를 통해 표면 융해와 관련된 전이, 특히 -12°C 근처에서의 전이를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 -15°C 이상에서의 빙하 표면 융해가 주요 결정 면의 성장 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 빙하의 기저면 및 모서리면에 대한 단계 에너지 β(T)의 온도 의존성은 어떠한가?
• RQ3 관측된 성장 속도 데이터는 비결함층 핵형성 모델로 정량적으로 기술될 수 있는가?
• RQ4 표면 융해가 빙하 결정 성장 역학에 뚜렷한 영향을 미치기 시작하는 온도는 어느 정도인가?
• RQ5 왜 기저면의 성장 속도가 -5°C 이상에서 예상과 다름없이 나타나며, 특히 -5.5°C 근처에서 크게 변화하는가?

주요 결과

• 기저면 및 모서리면의 성장 속도는 모두 α(σ) = A exp(-σ₀/σ)의 층 핵형성 모델에 잘 맞으며, A(T)와 σ₀(T)는 강한 온도 의존성을 보인다.
• 단계 에너지 β(T)는 온도가 상승함에 따라 감소하며, 이는 표면 재구성으로 인해 테라스 가장자리가 매끄러워지는 것을 시사한다. 특히 표면 융해가 미미한 -15°C 이하에서는 이 경향이 두드러진다.
• -12°C 근처에서 σ₀,basal(T)에 명백한 돌출이 관찰되어 (0001) 면에서 뚜렷한 표면 융해의 시작을 나타낸다. 이는 별도의 표면 융해 측정과 일치한다.
• 모서리면 또한 -12°C 근처에서 σ₀,prism(T)에 어깨 모양의 변화를 보이며, 이는 관련된 표면 융해 전이가 존재함을 시사한다.
• -15°C < T < -5°C 범위에서는 σ₀(T)의 행동이 가장 복잡하며, 이는 두 면에서 표면 융해의 시작과 발달이 동시에 발생함을 나타낸다.
• -5.5°C 근처에서 σ₀,basal(T)의 경향이 역전되는 것은, 무질서한 낮은 단계 에너지 표면에서 더 날카롭고 높은 단계 에너지를 가진 준액체층/ice 인터페이스로의 전이 때문으로 기인된다.