[논문 리뷰] Generation of defects and disorder from deeply quenching a liquid to form a solid

Andrew J. Archer, M. C. Walters외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 29.

Material Dynamics and Properties인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선형적으로 구동되는 결정화 전면이 생성하는 밀도 조화의 파장과 평형 결정 격자 간격 사이의 불일치로 인해 액체를 깊이 냉각시켜 고체를 형성할 경우 상당한 결함과 질서 없는 상태가 발생할 수 있음을 보여준다. 2차원 소프트 코어 입자 시스템에서 동적 밀도 함수 이론(DDFT)을 사용하여 저자들은 깊은 냉각에서의 빠른, 끌려가는 전면이 평형 상태가 아닌 조화를 만들어내며 질서 없는 구조를 유도함을 보였다. 이 질서 없는 상태는 다성분 혼합물에서도 운동학적 과도성으로 인해 지속된다.

ABSTRACT

We show how deeply quenching a liquid to temperatures where it is linearly unstable and the crystal is the equilibrium phase often produces crystalline structures with defects and disorder. As the solid phase advances into the liquid phase, the modulations in the density distribution created behind the advancing solidification front do not necessarily have a wavelength that is the same as the equilibrium crystal lattice spacing. This is because in a deep enough quench the front propagation is governed by linear processes, but the crystal lattice spacing is determined by nonlinear terms. The wavelength mismatch can result in significant disorder behind the front that may or may not persist in the latter stage dynamics. We support these observations by presenting results from dynamical density functional theory calculations for simple one- and two-component two-dimensional systems of soft core particles.

연구 동기 및 목표

• 시스템이 선형적으로 불안정한 스파이노달 영역에 있을 때 액체의 깊은 냉각이 고체화 과정에서 어떻게 결함 형성을 유도하는지 조사하기 위해.
• 결과 고체의 구조적 질서 정도를 결정하는 데 있어 전면 전파 속도와 파수 선택의 역할을 이해하기 위해.
• 빠른 결정화 전면 뒤에 생성된 질서 없는 상태가 열역학적으로 회복될 수 있는지 여부, 특히 다성분 시스템에서 어떻게 되는지 조사하기 위해.
• 단일 성분의 단일계 시스템과 다성분 또는 이성분 혼합물 간의 결함 치유 및 구조적 회복 동역학을 비교하기 위해.

제안 방법

• 깊은 냉각 후 2차원 소프트 코어 입자 시스템의 비평형 동역학을 모델링하기 위해 동적 밀도 함수 이론(DDFT)을 적용하였다.
• 단일 성분 및 이성분 2차원 시스템을 시뮬레이션하여 단일계와 다성분 조건에서의 결함 형성 및 회복을 비교하였다.
• 응고 전면 뒤의 밀도 조화의 전파 속도와 파수를 분석하여 전면가 끌려가는(선형적으로 결정됨)지, 아니면 밀려나가는(비선형적으로 결정됨)지 식별하였다.
• 결합 각도 분포 분석과 밀도 피크 식별을 통해 구조적 질서를 정량화하고 육각형, 정사각형, 또는 혼합 배열의 존재 여부를 탐지하였다.
• 결함 회복이 시간에 따라 어떻게 변화하는지 평가하기 위해 결합 각도 분포의 피크 넓이 변화와 같은 구조적 특성의 시간 변화를 추적하였다.
• 다양한 냉각 깊이에서의 결과를 비교하여 선형(끌려가는) 전면가 지배하는 영역과 비선형(밀려나가는) 전면이 지배하는 영역을 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 평형 상이 잘 질서 잡힌 결정일지라도 깊은 냉각이 응고되는 액체에서 결함과 질서 없는 상태가 형성되는가?
• RQ2 깊은 냉각 시스템에서 결정화 전면 뒤에 형성된 밀도 조화의 파장은 무엇에 의해 결정되며, 평형 결정 격자 간격과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 빠르게 선형적으로 구동되는 전면 뒤에 생성된 질서 없는 상태가 장시간에 걸쳐 지속되는 조건은 무엇인가, 특히 다성분 시스템에서 어떻게 되는가?
• RQ4 초기 육각형 질서를 가진 냉각된 이성분 시스템에서 60°에서의 결합 각도 분포 피크가 시간이 지남에 따라 넓어지는 이유는 무엇인가?
• RQ5 얕은 냉각(비선형, 밀려나가는 전면)과 깊은 냉각(선형, 끌려가는 전면) 사이에서 전면 속도와 파수 선택은 어떻게 다른가?

주요 결과

• 깊은 냉각은 선형 동역학에 의해 지배되는 결정화 전면을 유도하여, 평형 결정 격자 간격과 일치하지 않는 파장의 밀도 조화를 생성한다.
• 단일 성분 시스템에서는 파장 불일치로 인한 초기 질서 없는 상태가 입자들이 재배열되면서 시간이 지남에 따라 대부분 치유된다.
• 이성분 혼합물에서는 파수 불일치로 인한 구조적 질서 없는 상태가 운동학적으로 고착되어 회복되지 않으며, 지속적인 결함과 정사각형 및 육각형 배열의 혼합 구조를 초래한다.
• φ = 0.75인 냉각된 이성분 시스템에서 60°에서의 결합 각도 분포 피크가 시간이 지남에 따라 넓어지며, 결함 형성에 의한 변형 완화로 인해 질서가 증가하고 있음을 나타낸다.
• 전면 속도와 파수는 냉각이 충분히 깊어져 끌려가는 전면 영역(T < Tx)에 진입할 경우에만 선형 과정에 의해 결정된다. 이 경우 전면 속도는 비선형 전면의 속도를 초과한다.
• 질서 없는 상태 생성 메커니즘은 깊은 냉각에 특화되어 있으며, 얕은 냉각에서는 핵형성과 성장이 지배적이며, 그로 인한 구조는 일반적으로 더 질서 잡혀 있다.