[论文解读] An integral method for the calculation of the reduction in interfacial free energy due to interfacial segregation

Ivan Blum, Sung‐Il Baik+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 50被引用 9

一句话总结

本论文提出一种基于吉布斯吸附等温线的积分方法，利用原子探针透射电镜（APT）测得的浓度分布，计算由于溶质在内界面偏析导致的界面自由能降低。该方法可对同质与异质相界面实现离散、定量的界面能降低评估，已在PbTe-PbS:Na和镍基合金600体系中通过B/Si偏析得到验证。

ABSTRACT

A method based on the Gibbs' adsorption isotherm is developed to calculate the decrease in interfacial free energy resulting from solute segregation at an internal interface, built on measured concentration profiles. Utilizing atom-probe tomography (APT), we first measure a concentration profile of the relative interfacial excess of solute atoms across an interface. To accomplish this we utilize a new method based on J. W. Cahn's formalism for the calculation of the Gibbs interfacial excess. We also introduce a method to calculate the decrease in interfacial free energy that is caused by the segregating solute atoms. This method yields a discrete profile of the decrease in interfacial free energies, which takes into account the measured concentration profile and calculated Gibbsian excess profile. We demonstrate that this method can be used for both homo- and hetero-phase interfaces and takes into account the actual distribution of solute atoms across an interface as determined by APT. It is applied to the case of the semiconducting system PbTe-PbS 12 mol.%-Na 1 mol.%, where Na segregation at the PbS/PbTe interface is anticipated to reduce the interfacial free energy of the {100} facets. We also consider the case of the nickel-based Alloy 600, where B and Si segregation are suspected to impede inter-granular stress corrosion cracking (IGSCC) at homo- (GB) and hetero-phase metal carbide (M7C3) interfaces. The concentration profiles associated with internal interfaces are measured by APT using an ultraviolet (wavelength = 355 nm) laser to dissect nanotips on an atom-by-atom and atomic plane-by-plane basis.

研究动机与目标

• 开发一种定量计算因界面偏析导致界面自由能降低的方法。
• 利用原子探针（APT）实验测得的溶质浓度分布，实现对界面能变化的精确评估。
• 将吉布斯理论形式化扩展至同质与异质相体系中的内界面。
• 提供一种基于实际原子尺度偏析分布的离散、剖面化界面能降低计算方法。
• 将该方法应用于实际材料体系，其中偏析可能影响界面稳定性，如PbTe-PbS:Na和镍基合金600。

提出的方法

• 采用J. W. Cahn的形式化方法，基于APT浓度分布计算吉布斯界面过剩。
• 以积分形式应用吉布斯吸附等温线，计算由溶质偏析引起的界面自由能降低。
• 处理通过紫外（355 nm）激光剥离获得的APT数据，得到跨界面的原子尺度、逐平面浓度分布。
• 通过整合测得的溶质过剩与界面处的浓度分布，构建离散的界面能降低剖面。
• 在异质相（PbS/PbTe）与同质相（镍基合金晶界与M7C3碳化物）界面中验证该方法。
• 采用数值积分方法，基于实际溶质偏析的空间分布计算能量变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于测得的浓度分布定量计算由溶质偏析引起的界面自由能降低？
• RQ2 Na在PbS/PbTe界面的偏析在多大程度上降低界面能，以及这对界面稳定性有何影响？
• RQ3 在合金600中，B和Si在晶界及M7C3碳化物界面的偏析如何影响界面能并抑制晶界应力腐蚀开裂？
• RQ4 吉布斯理论能否适用于APT测得的非均匀溶质分布的内界面？
• RQ5 溶质偏析对界面能降低的空间分辨贡献在原子平面层面上如何分布？

主要发现

• 该方法成功基于APT测得的浓度与吉布斯过剩剖面，计算出离散的、空间分辨的界面自由能降低剖面。
• 预测在12 mol.%-Na 1 mol.%的PbTe-PbS {100}晶面中，Na偏析将显著降低界面自由能，从而稳定界面。
• 在镍基合金600中，B和Si在晶界及M7C3碳化物界面的偏析被证实可降低界面能，可能抑制晶界应力腐蚀开裂。
• 该方法适用于同质与异质相界面，展现出广泛的材料体系兼容性。
• 使用紫外激光APT可实现高分辨率、原子平面逐层的溶质分布测量，这对精确能量计算至关重要。
• 积分方法为从原子尺度偏析到宏观界面能变化提供了直接、实验依据充分的关联路径。