[논문 리뷰] Orientation gradients in rapidly solidified pure aluminum thin films: comparison of experiments and phase-field crystal simulations

Paul Jreidini, Tatu Pinomaa외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Solidification and crystal growth phenomena참고 문헌 37인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 순수 알루미늄 박막에서 초고속 응고를 시뮬레이션하기 위해 고체, 액체, 기체 상을 모두 포괄하는 단일 성분 계면장 결정(PFC) 모델을 제안한다. 거친 스케일의 진폭 표현을 사용하여, 초고속 냉각 중 단일 결정 내에서 실험적으로 관측된 결정 방향 기울기의 변화를 재현하며, 이와 같은 기울기 변화가 비등성 결함인 비등성 결함 및 공극 형성과 인과적으로 연결됨을 규명한다.

ABSTRACT

Rapid solidification experiments on thin film aluminum samples reveal the presence of lattice orientation gradients within crystallizing grains. To study this phenomenon, a single-component phase-field crystal (PFC) model that captures the properties of solid, liquid, and vapor phases is proposed to model pure aluminium quantitatively. A coarse-grained amplitude representation of this model is used to simulate solidification in samples approaching micrometer scales. The simulations reproduce the experimentally observed orientation gradients within crystallizing grains when grown at experimentally relevant rapid quenches. We propose a causal connection between formation of defects and orientation gradients.

연구 동기 및 목표

• 초고속 응고되는 순수 알루미늄 박막에서 격자 방향 기울기의 기원을 규명하는 것.
• 초고속 응고에서 실험적 관측과 원자 척도 메커니즘 사이의 격차를 메우는 것.
• 실험적으로 관련된 냉각 속도에서 미세구조의 진화를 시뮬레이션할 수 있는 정량적 PFC 모델을 개발하는 것.
• 결함 형성과 방향 기울기의 발생 간 인과적 연관성을 확립하는 것.

제안 방법

• 고체, 기체, 액체 상을 모두 포함하는 자유 에너지 기능을 기반으로 한 단일 성분 PFC 모델을 사용한다.
• 거친 스케일의 진폭 전개를 활용하여 마이크로미터 척도의 대규모 시스템을 시뮬레이션한다.
• 자유 에너지 기능은 온도에 따라 변화하는 매개변수(pl, ql)와 두 점 상관 함수 C(2)를 포함하여 2차원 삼각형 격자 배열을 안정화한다.
• 모델은 삼중점 근처 순수 알루미늄의 열역학적 상도와 일치하도록 校정된다.
• 실험적 레이저 유도 재응고 조건을 모의하기 위해 급격한 냉각 조건에서 시뮬레이션을 수행한다.
• 비등성 결함인 비등성 결함, 공극, 부분 경계와 같은 결함 구조를 방향 기울기와 관련하여 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알루미늄 박막의 초고속 응고 중 단일 결정 내에서 방향 기울기가 형성되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 비등성 결함인 비등성 결함과 공극 등의 결함 구조는 방향 기울기의 발달과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 계면장 결정 모델이 순수 알루미늄에서 실험적으로 관측된 방향 기울기를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ4 기체 상이 갇히는 것이 방향 기울기 및 결함 배열 형성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ5 초고속 응고 동안 결함 역학은 시간에 따라 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• PFC 시뮬레이션은 초고속 응고 중 단일 결정 내에서 실험적으로 관측된 방향 기울기를 성공적으로 재현한다.
• 시뮬레이션 결과, 방향 기울기는 특히 고밀도 결함 영역에서 비등성 결함 배열과 공극의 존재와 강하게 연관되어 있음을 규명하였다.
• 이석형 변형장을 지닌 비등성 결함의 열선과 비정규적으로 분포된 결함이 단일 결정 내에서 형성되며, 이는 방향 기울기와 동시에 발생한다.
• 공극과 비등성 결함 배열은 동적으로 진화하며, 일부 결함 배열은 시간이 지남에 따라 비등성 결함과 공극 간 상호 전환을 보였다.
• 단일 결정 내에서 기울기가 있는 지역(부분 경계)은 국소적 결함 집합과 격자 불일치 완화와 관련되어 있음을 발견하였다.
• 모델은 방향 기울기가 결정 경계 이동의 결과가 아니라 초고속 응고 중 복잡한 결함 역학의 산물임을 입증하였다.