[논문 리뷰] Diffusivities and kinetics of short-range and long-range orderings in Ni-Fe permalloys

Taras M. Radchenko, V. A. Tatarenko외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 01.

nanoparticles nucleation surface interactions인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 f.c.c. Ni-Fe 퍼멀로이에서 원자 확산의 미시적 모델을 개발하여 단거리 및 장거리 순서 동역학을 분석한다. 이질적인 원자 이동과 농도 비균일성을 고려함으로써 온도에 따라 변하는 확산도와 활성화 에너지를 유도하며, 높아진 온도가 원거리 위치에서의 잠재력 영향 감소에도 불구하고 Fe 원자의 장거리 확산을 향상시킴을 보여준다. 모델은 비스티오이메트릭한 Ni-Fe 합금에서 장거리 순서 파라미터의 회복 시간을 성공적으로 예측하며, 이는 Fe 농도 감소와 함께 증가한다.

ABSTRACT

The microscopic model of atomic diffusion is considered to describe the short-range order relaxation kinetics within the f.c.c.-Ni-Fe Permalloys. The model takes into account both the discrete and anisotropic characters of atomic jumps within the long-range field of concentration heterogeneities of the interacting atoms. The diffusion coefficients and activation energies for the disordered Ni-Fe permalloy are estimated with the evaluated probabilities of atomic jumps. As shown, the increasing of a temperature with a fixed composition influences on the 'potential' field of interatomic interaction ambiguously: the field 'potential' increases for defined coordination shells and decreases for some of other ones. Although the temperature increasing promotes the increasing of any atomic-probabilities jumps generally, but decreasing of the action of 'potential' field generated by the atoms of defined element and caused by its concentration heterogeneities onto the distant sites results in increasing of the atomic-jumps' probabilities of just this element, first of all, into the sites, which are more distant from the 'source' of heterogeneity. Within the framework of the static concentration waves' method along with the self-consistent field approximation, the Onsager-type kinetics equation is obtained to describe the long-range order relaxation by the L12-type superstructure. To calculate diffusivities for the ordered Ni3Fe permalloy, the independent, diffraction experimental data of the long-range order parameter relaxation are used. Theoretical curves of the long-range order time evolution for the non-stoichiometric f.c.c.-Ni-Fe permalloys are plotted. Decreasing of the concentration of alloying element results in decelerating of the long-range order parameter change and in increasing of its relaxation time.

연구 동기 및 목표

• f.c.c. Ni-Fe 퍼멀로이에서 단거리 및 장거리 순서 회복을 지배하는 원자 체계적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 확산 계수와 활성화 에너지의 온도 및 조성 의존성을 정량화하기 위해.
• 농도 비균일성이 원자 이동 확률과 장거리 순서 진화에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 실험 데이터를 사용하여 비스티오이메트릭한 Ni-Fe 합금에서 장거리 순서 파라미터의 회복 시간을 예측하기 위해.

제안 방법

• 장거리 농도장이 존재하는 상황에서 이질적이고 비대칭적인 원자 이동을 고려하는 미시적 확산 모델을 개발하였다.
• L12형 초구조 형성 기술을 기술하기 위해 자성장 근사와 온사거 타입의 운동 방정식을 도입하였다.
• 다양한 온도와 조성 조건에서 이동 확률 계산을 통해 확산 계수와 활성화 에너지를 추정하였다.
• 회절 실험 데이터를 활용하여 장거리 순서 파라미터의 이론적 시간 진화를 유도하고, 이를 검증하였다.
• 농도 비균일성의 시간에 따른 회복을 기술하기 위해 정적 농도파 방법을 적용하였다.
• 각각 별도의 운동학적 처리를 통해 단거리 순서 회복과 장거리 순서 형성 간의 차이를 명확히 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도가 Ni-Fe 퍼멀로이에서 원자 상호작용의 효과적 잠재력장에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 농도 비균일성이 다양한 배위 껍질에서 원자 이동 확률을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 불순물이 있는 Ni-Fe 퍼멀로이에서 확산도와 활성화 에너지는 조성과 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 비스티오이메트릭한 f.c.c.-Ni-Fe 합금에서 장거리 순서 파라미터의 회복 시간은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ5 장거리 잠재력장의 영향 감소에도 불구하고, 온도 상승이 Fe 원자의 장거리 확산을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 온도 상승은 총합 원자 이동 확률을 증가시키지만, 농도 비균일성으로 인한 잠재력의 원거리 영향은 감소시킨다.
• Fe 원자의 확산도는 온도 상승에 따라 증가하며, 특히 더 먼 배위 껍질로의 이동에서 잠재력장 제약 감소로 인해 더욱 두드러진다.
• 비스티오이메트릭한 Ni-Fe 합금에서 장거리 순서 파라미터의 회복 시간은 Fe 농도 감소와 함께 증가한다.
• 장거리 순서 진화의 이론적 곡선은 실험적 회절 데이터와 일치하여 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 확산의 활성화 에너지는 조성에 따라 달라지며, 원자 이동의 이방성과 이질성에 의해 영향을 받는다.
• 모델은 Fe 원자가 장거리에서 잠재력 영향 감소로 인해 더 높은 장거리 이동성과 함께 높은 총합 이동률을 보임을 드러낸다.