[논문 리뷰] Quasicrystal nucleation in an intermetallic glass-former

Hornfeck, Wolfgang, Raphaël Kobold외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 11.

Metallic Glasses and Amorphous Alloys참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전기적 레벨링과 고속 영상 기반으로 NiZr 인터메탈리드 유리 형성체에서 균질한 핵형성과 연속적인 성장을 관찰한 것으로, 10중 대칭의 퇴적형 나선형 미세구조로 성장하는 비정질 결정의 성장 메커니즘을 규명하였다. 이는 이코사헤드럴 대칭성과 황금비율 스케일링을 통해 비정질 결정, 다중 투과 결정, 유리 상태를 연결하는 왜곡 없는 투과 모델을 제시한다.

ABSTRACT

The discovery of quasicrystals 30 years ago challenged our understanding of order at the atomic scale. While quasicrystals possess long-range orientational order they lack translation periodicity. Structurally complex, yet crystalline intermetallics and (bulk) metallic glasses represent competing states of condensed matter among metallic phases, including peculiarities like the q-glass. Considerable progress has been made in their structure elucidation and in identifying factors governing their formation; comparatively less is known about their interrelation. Moreover, studies bridging the spatial scales from atoms to the macroscale are scarce. Here we report on the homogeneous nucleation of a single quasicrystalline seed of decagonal symmetry and its continuous growth into a tenfold twinned dendritic microstructure. Electrostatic levitation was applied to undercool melts of glass-forming NiZr, observing single crystallization events with a high-speed camera; with a statistical evaluation of 200 consecutive thermal cycles suggesting homogeneous nucleation. The twinned dendritic microstructure, apparent in electron backscatter diffraction maps, results from the symmetry breaking of an essentially 2D decagonal quasicrystalline cluster. Conserving its long-range orientational order, our distortion-free twin model merges a common structure type for binary intermetallic compounds, with interatomic distances of alike atoms scaled by the golden ratio, and spiral growth resembling phyllotaxis. NiZr represents a missing link connecting quasicrystals and multiple twinned structures sheding light on intermediate states of order between glasses, crystals and their twins, and quasicrystals.

연구 동기 및 목표

• 균일한 인터메탈리드 유리 형성체에서 비정질 결정의 핵형성 및 성장 메커니즘을 조사하기 위해.
• 중간 질서 상태를 규명하여 비정질 결정, 다중 투과 결정, 금속 유리 간의 격차를 메우기 위해.
• NiZr에서 비정질 결정 핵형성이 용기 없는 조건에서 균질하게 일어나는지 확인하기 위해.
• 관측된 나선형 미세구조가 기초가 되는 비정질 결정 대칭성과 원자 척도의 구조와 어떻게 관련되어 있는지 규명하기 위해.
• 이코사헤드럴 근접 순서, 비정질 결정 장거리 정렬된 배열, 투과 결정 성장 간의 구조적 모델을 수립하기 위해.

제안 방법

• NiZr 용융물의 용기 없는 가공을 위해 전기적 레벨링(ESL)을 사용하여 고순도 초냉각을 실현하고 이방성 핵형성을 억제하였다.
• 200회의 연속적인 열 사이클을 수행하고 고속 카메라(HSC) 영상 촬영을 통해 핵형성 및 성장 역학을 기록하여 핵형성 행동의 통계적 분석을 가능하게 하였다.
• 전자 회절 역행사도(CBED)를 이용해 결정학적 정렬을 매핑하고, 미세구조 내 10중 대칭성과 공명하는 투과 경계를 확인하였다.
• 주사 전자 현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분석(EDS)을 수행하여 화학적 균일성과 상의 정체성을 확인하였다.
• 횡단면 미세구조 분석을 통해 나선형 성장의 3차원적 진화를 재구성하고, 성장 방향이 10중 대칭축과 일치하는지 확인하였다.
• 이코사헤드럴 배열과 황금비율 스케일링을 바탕으로 왜곡 없는 투과 모델을 제안하여 비정질 결정 질서와 나선형 투과 성장 간의 연결 고리를 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NiZr와 같은 단일 성분 인터메탈리드 유리 형성체에서 10중 비정질 결정의 균질한 핵형성을 관찰할 수 있는가?
• RQ2 관측된 10중 투과 나선형 미세구조와 기초가 되는 비정질 결정 씨앗 간의 구조적 관계는 무엇인가?
• RQ3 비정질 결정의 성장 형태는 원자 척도의 대칭성과 장거리 정렬된 배열과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 비정질 결정 상이 금속 유리, 결정 및 그들의 투과 상태 사이에서 얼마나 구조적 다리 역할을 하는가?
• RQ5 비정질 결정 질서와 나선형 투과 성장이 NiZr에서 공존하는 것을 설명할 수 있는 통합 모델을 제안할 수 있는가?

주요 결과

• 200회의 연속적인 열 사이클을 통한 통계적 신뢰도로 단일 10중 비정질 결정 씨앗의 균질한 핵형성이 관측되었으며, 재현 가능한 핵형성 과정임을 시사하였다.
• 비정질 결정은 평균 성장 속도 0.51(4) m/s로 10중 투과 나선형 미세구조로 성장하였으며, 고속 영상으로 확인되었다.
• 전자 회절 역행사도(EBSD) 분석 결과, ~36° 기울기의 공명하는 경계를 가진 10개의 주요 결정립이 확인되어 10중 대칭성 기원과 일치하였다.
• 비정질 결정 상에서 원자 간격이 황금비율(φ ≈ 1.618)으로 스케일링된 공통의 이황화 인터메탈리드 구조에서 유도된 왜곡 없는 투과 모델이 관찰되었다.
• 성장 메커니즘은 식물의 잎 배열과 유사한 피롤로타시스를 띠며, 펜로즈 타일링과 맥케이의 오각형 눈꽃 개념에 부합하는 나선형 배열의 원자 배치를 보였다.
• NiZr는 비정질 결정, 다중 투과 결정, 금속 유리 간의 빈자리 연결 고리 역할을 하며, 이 경쟁 상들 간의 교차점에서 비정질 결정 상이 형성됨을 규명하였다.