[논문 리뷰] Universality of grain boundary phases in fcc metals: Case study on high-angle [111] symmetric tilt grain boundaries

T. Brink, Lena Langenohl외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 25.

Microstructure and mechanical properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고체구조에서 [111] 대칭 기울기 경계를 갖는 일곱 개의 fcc 금속(Ni, Cu, Pd, Ag, Au, Al, Pb)에 대해 고전적 원자역학 시뮬레이션을 사용하여, 모든 물질에서 두 가지 보편적인 경계상태 가족이 존재함을 규명하였다. 결과적으로 이러한 상들은 주로 구체배열 기하학과 중거리 상호작용에 의해 결정되며, 물질별로 다른 결합 물리학은 경계 자유 에너지에만 영향을 주고 원자 구조에는 영향을 주지 않아 fcc 금속에서의 경계상태 형성에 매우 높은 보편성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Grain boundaries often exhibit ordered atomic structures. Increasing amounts of evidence have been provided by transmission electron microscopy and atomistic computer simulations that different stable and metastable grain boundary structures can occur. Meanwhile, theories to treat them thermodynamically as grain boundary phases have been developed. Whereas atomic structures were identified at particular grain boundaries for particular materials, it remains an open question if these structures and their thermodynamic excess properties are material specific or generalizable to, e.g., all fcc metals. In order to elucidate that question, we use atomistic simulations with classical interatomic potentials to investigate a range of high-angle [111] symmetric tilt grain boundaries in Ni, Cu, Pd, Ag, Au, Al, and Pb. We could indeed find two families of grain boundary phases in all of the investigated grain boundaries, which cover most of the standard fcc materials. Where possible, we compared the atomic structures to atomic-resolution electron microscopy images and found that the structures match. This poses the question if the grain boundary phases are simply the result of sphere-packing geometry or if material-specific bonding physics play a role. We tested this using simple model pair potentials and found that medium-ranged interactions are required to reproduce the atomic structures, while the more realistic material models mostly affect the grain boundary (free) energy. In addition to the structural investigation, we also report the thermodynamic excess properties of the grain boundaries, explore how they influence the thermodynamic stability of the grain boundary phases, and detail the commonalities and differences between the materials.

연구 동기 및 목표

• fcc 금속에서의 경계상태(Gb)가 보편적인지 아니면 물질별로 특이적인지 규명하는 것.
• 원자 구조, 결합 물리학, 원자간 잠재력 정확도가 경계상태 형성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 시뮬레이션된 경계상태 구조를 실험적 원자해상도 TEM/STEM 영상과 비교하여 검증하는 것.
• 경계상태의 열역학적 초과성질(예: 자유 에너지)을 정량화하고, 다양한 fcc 금속 간의 상대적 안정성을 평가하는 것.
• 경계상태가 기하학적 제약(구체배열)에 기인하는지 아니면 물질별 전자적 효과에 기인하는지 평가하는 것.

제안 방법

• Ni, Cu, Pd, Ag, Au, Al, Pb에 대해 경량 다체 상호작용 잠재력(EAM)을 사용한 고전적 분자역학 및 정적 에너지 최소화 시뮬레이션.
• 다양한 기울기 각도를 갖는 고각도 [111] 대칭 기울기 경계에 대한 체계적 연구.
• 자기진동 근사(Quasi-harmonic approximation, QHA)를 적용하여 자유 에너지를 계산하고 경계상태의 열역학적 안정성을 평가.
• 시뮬레이션된 경계상태 원자 구조를 실험적 고해상도 투과전자현미경(HRTEM/STEM) 영상과 비교.
• 중거리 상호작용의 영향을 분리하기 위해 단순화된 모델 쌍 잠재력 사용.
• 원자간 잠재력의 정밀한 수치적 검증을 위해 고정밀 표본화 및 스퍼링 보간을 수행하여 잠재 에너지의 두 번째 및 세 번째 도함수의 노이즈를 제거.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 fcc 금속의 경계상태가 다양한 원소 간에 보편적인가, 아니면 물질별로 특이적인가?
• RQ2 구체배열 기하학과 중거리 원자간 상호작용이 경계상태 형성에 얼마나 중요한가?
• RQ3 전자 구조와 결합 방식의 차이에도 불구하고, 동일한 경계상태 구조가 여러 fcc 금속에서 관찰될 수 있는가?
• RQ4 경계상태의 열역학적 초과성질(예: 자유 에너지)은 다양한 fcc 금속 간에 어떻게 달라지며, 그 상대적 안정성을 결정짓는 요소는 무엇인가?
• RQ5 물질별 특이성을 반영한 원자간 잠재력은 경계상태의 구조에 영향을 주는가, 아니면 자유 에너지만 영향을 주는가?

주요 결과

• 연구한 일곱 개의 fcc 금속 전역에서 두 가지 명확한 경계상태 가족이 확인되어 경계상태 형성에 매우 높은 보편성이 있음을 시사한다.
• 이 경계상태의 원자 구조는 실험적 고해상도 TEM/STEM 영상과 일치하여 시뮬레이션의 신뢰성을 확인한다.
• 중거리 상호작용은 관측된 경계상태 구조를 재현하는 데 필수적이며, 단순 쌍 잠재력은 이를 포착하지 못한다.
• 물질별로 다른 결합 물리학은 주로 경계 자유 에너지에 영향을 주며, 상의 원자 구조에는 영향을 주지 않아 구조적 보편성이 있음을 시사한다.
• 특히 Al, Pd, Au에서 관찰된 원자간 잠재력의 수치 노이즈는 표본화 데이터의 정밀도 부족이나 급격한 截단 함수에 기인하며, 고정밀 재표본화로 해결되었다.
• 기계 정밀도 보간을 사용해 재구성된 Al용 EAM 잠재력은 매끄러운 두 번째 및 세 번째 도함수를 제공하였으며, QHA 기반 자유 에너지 계산의 정확도를 향상시켰다.