[논문 리뷰] Vibrational and configurational entropy separation in bulk metallic glasses: A thermodynamic approach

René Alvarez-Donado, Alex Antonelli|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 04.

Material Dynamics and Properties인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 평형이 아닌 단열 스위칭과 가역적 스케일링을 사용한 분자 동역학를 통해 고체 금속 유리에서 진동 및 구조적 엔트로피를 분리하는 열역학적 방법을 제안한다. 결정성 기준이 필요하지 않으며, Cu₄₆Zr₄₆Al₈에서 Cu₅₀Zr₅₀보다 70% 높은 구조적 엔트로피를 정량화하여 실험 데이터와 일치시키며, 구조적 엔트로피가 금속 유리 형성 능력과 관련이 있음을 규명한다.

ABSTRACT

We applied an efficient methodology to separate vibrational and configurational entropies in bulk metallic glasses by means of molecular dynamics simulation based on a combination of non-equilibrium adiabatic switching and reversible scaling methods. This approach involves calculating the vibrational free energy using the Einstein crystal as a reference for the solid phase and the recently proposed Uhlenbeck-Ford model for the fluid phase. This methodology has the advantage that it does not require a crystalline solid phase for separating the entropies. Therefore, in principle, it is applicable to any material, regardless of whether or not it has a crystalline phase. Using this methodology, we separate the vibrational and configurational entropies of two metallic glasses with different fragilities at zero external pressure, namely, Cu$_{50}$Zr$_{50}$ and Cu$_{46}$Zr$_{46}$Al$_{8}$. We find that the results for the former alloy are in quite reasonable agreement with recent experimental work by Smith extit{et al.}[H. L. Smith extit{et al.}, Nat. Phys. extbf{13}, 900 (2017)]. We also find the configurational entropy of the glass containing Al to be 70\% larger than that of the other glass. Our results suggest that, although other factors may be at play, the configurational entropy can be used to investigate the effect of the addition of a minor-alloying element on the glass-forming ability of bulk metallic glasses.

연구 동기 및 목표

• 결정성 기준 상을 필요로 하지 않고, 고체 금속 유리에서 진동 및 구조적 엔트로피를 열역학적으로 일관되게 분리하는 방법을 개발하는 것.
• 미량의 합금 원소 존재 시 구조적 엔트로피가 금속 유리 형성 능력에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Cu₅₀Zr₅₀ 금속 유리에 대한 최근 실험 데이터와 방법을 검증하는 것.
• 다른 유리 전이 성질(유리성)을 가지는 두 금속 유리, 즉 Cu₅₀Zr₅₀ 및 Cu₄₆Zr₄₆Al₈ 간의 구조적 엔트로피 기여도를 비교하는 것.

제안 방법

• 유리상과 기준 상태 간 자유 에너지 차이를 계산하기 위해 비평형 단열 스위칭을 사용한 분자 동역학 시뮬레이션을 수행한다.
• 고체 상의 진동 자유 에너지 기여도를 계산하기 위해 아이н슈타인 결정을 기준으로 삼는다.
• 유체 상을 기술하기 위해 울렌벡-포드 모델을 적용하여 자유 에너지 기여도를 계산한다.
• 자유 에너지 추정의 수렴성과 정확도를 향상시키기 위해 가역적 스케일링 기법을 구현한다.
• 이러한 방법들을 융합하여 총 엔트로피에서 진동 기여도를 빼내 구조적 엔트로피를 고립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정성 기준 구조가 없이도 금속 유리에서 진동 및 구조적 엔트로피를 정확히 분리할 수 있는가?
• RQ2 미량의 합금 원소(알루미늄) 도핑이 고체 금속 유리의 구조적 엔트로피에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 계산된 구조적 엔트로피가 Cu₅₀Zr₅₀에 대해 최근 실험 측정치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 유리의 유리성에 따라 진동 및 구조적 엔트로피의 기여도 비율은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 이 방법은 결정상이 필요 없이 진동 및 구조적 엔트로피를 성공적으로 분리하여 어떤 비정질 물질에도 적용 가능하다.
• Cu₄₆Zr₄₆Al₈의 계산된 구조적 엔트로피는 Cu₅₀Zr₅₀보다 70% 높으며, 알루미늄 도핑에 의한 상당한 증가를 시사한다.
• Cu₅₀Zr₅₀에 대한 진동 엔트로피 기여도는 스미스 등(Smith *et al.*, Nat. Phys. 13, 900, 2017)의 실험 데이터와 일치하여 방법의 정확성을 검증한다.
• 알루미늄 함유 유리에서 더 높은 구조적 엔트로피는 금속 유리 형성에 대한 열역학적 추진력이 더 강하다는 것을 시사하며, 이는 유리 형성 능력 향상에 기여하는 것으로 해석된다.