[논문 리뷰] Unconventional phase selection in high-driven systems: A complex metastable structure prevails over simple stable phases

Zhuo Ye, Feng Zhang외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 30.

Metallic Glasses and Amorphous AlloysEngineering참고 문헌 32인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 고구동 시스템에서 비정상적인 상 선택 메커니즘을 규명한다. 알루미늄-10%사마륨 합금에서 열역학적으로 안정한 단순한 상들보다도 복잡한 준안정 입방 상(1.4 nm 격자 상수, 약 140 원자)이 우선적으로 형성된다. 이 상은 비정질 기질 내의 구조적 순서와 관련된 낮은 장벽의 경로를 통해 핵형성되며, 높은 결함 내성 덕분에 전통적인 핵형성 경로를 우회하고 빠르게 성장한다.

ABSTRACT

Phase selection in deeply undercooled liquids and devitrified glasses during heating involves complex interplay between the barriers to nucleation and the ability for these nuclei to grow. During the devitrification of glassy alloys, complicated metastable structures often precipitate instead of simpler, more stable compounds. Here, we access this unconventional type of phase selections by investigating an Al-10%Sm system, where a complicated cubic structure first precipitates with a large lattice parameter of 1.4 nm. We not only solve the structure of this "big cubic" phase containing ~140 atoms but establish an explicit interconnection between the structural orderings of the amorphous alloy and the cubic phase, which provides a low-barrier nucleation pathway at low temperatures. The surprising rapid growth of the crystal is attributed to its high tolerance to point defects, which minimize the short-scale atomic rearrangements to form the crystal. Our study suggests a new scenario of devitrification, where phase transformation proceeds initially without partitioning through a complex intermediate crystal phase.

연구 동기 및 목표

• 초냉각된 유리성 합금의 탈유리화 과정에서 단순한 상들보다도 더 복잡한 준안정 상들이 우선적으로 형성되는 이유를 이해하는 것.
• 고구동 시스템에서 복잡한 입방 상의 빠른 성장을 가능하게 하는 핵형성 메커니즘을 규명하는 것.
• 비정질 기질과 준안정 결정 상 사이의 구조적 연관성을 설정하는 것.
• 결함 내성이 높아 광범위한 원자 재배열 없이도 빠른 결정 성장을 가능하게 하는 메커니즘의 역할을 탐색하는 것.
• 중간 상을 거치지 않고 복잡한 준안정 상을 통해 직접 전이되는 새로운 탈유리화 경로를 제안하는 것.

제안 방법

• 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)과 회절 분석을 이용한 준안정 입방 상의 구조적 특성 분석.
• 핵형성 장벽과 원자 재배열을 평가하기 위한 아비시우 모oleculer 동역학 시뮬레이션.
• 역방향 몬테카를로 모델링을 이용한 비정질 구조 분석을 통한 局부 순서 규명.
• 비정질 상의 구조적 특징과 결정 구조 간의 연관성을 분석하여 낮은 장벽 핵형성 경로를 규명하는 것.
• 에너지 계산과 원자 이동 분석을 통한 결함 내성의 정량적 평가.
• 복잡한 상과 단순한 안정 상 간의 핵형성 및 성장 동역학 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고구동 시스템에서 복잡한 준안정 입방 상이 단순한 열역학적 안정 상들보다 우선적으로 형성되는 이유는 무엇인가?
• RQ2 비정질 기질 내 어떤 구조적 특징이 복잡한 입방 상의 낮은 장벽 핵형성 가능성을 제공하는가?
• RQ3 높은 결함 내성이 준안정 상의 빠른 성장에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 중간 상을 순차적으로 거치지 않고도 변환 경로를 설명할 수 있는가?
• RQ5 비정질 합금과 침전된 입방 상 사이의 명시적 구조적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• Al-10%Sm에서 준안정 입방 상의 격자 상수는 1.4 nm이며, 약 140개의 원자를 포함한다.
• 비정질 기질 내 局부 순서와 입방 상의 결정 구조 사이에 직접적인 구조적 연관성이 확인되어 낮은 장벽 핵형성 경로가 가능해졌다.
• 이 상은 점 결함에 대해 높은 내성을 보이며, 성장 과정에서 광범위한 원자 재배열이 거의 필요로 하지 않는다.
• 복잡한 상임에도 불구하고 결함 내성과 낮은 핵형성 장벽 덕분에 빠른 결정 성장이 이루어진다.
• 탈유리화 과정은 전통적인 중간 상을 거치지 않고 복잡한 준안정 상으로 직접 전이된다.
• 이 연구는 열역학적 안정 상보다도 운동적 이점 덕분에 복잡한 준안정 상이 지배하는 새로운 탈유리화 시나리오를 규명하였다.