[论文解读] Generation of defects and disorder from deeply quenching a liquid to form a solid

Andrew J. Archer, M. C. Walters+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Material Dynamics and Properties被引用 4

一句话总结

该论文表明，通过深度淬火使液体凝固时，由于线性驱动的结晶前缘所产生的密度调制波长与平衡晶体晶格间距不匹配，会导致显著的缺陷和无序。通过在二维软核粒子系统中使用动力学密度泛函理论（DDFT），作者发现快速、被拉拽的前缘在深度淬火下会产生非平衡调制，导致无序结构，且在双组分混合物中由于动力学阻挫，无序状态持续存在。

ABSTRACT

We show how deeply quenching a liquid to temperatures where it is linearly unstable and the crystal is the equilibrium phase often produces crystalline structures with defects and disorder. As the solid phase advances into the liquid phase, the modulations in the density distribution created behind the advancing solidification front do not necessarily have a wavelength that is the same as the equilibrium crystal lattice spacing. This is because in a deep enough quench the front propagation is governed by linear processes, but the crystal lattice spacing is determined by nonlinear terms. The wavelength mismatch can result in significant disorder behind the front that may or may not persist in the latter stage dynamics. We support these observations by presenting results from dynamical density functional theory calculations for simple one- and two-component two-dimensional systems of soft core particles.

研究动机与目标

• 研究当系统处于线性不稳定的旋节线区域时，深度淬火如何导致液态凝固过程中的缺陷形成。
• 理解前缘传播速度和波数选择在决定最终固态结构无序程度中的作用。
• 检查在多组分体系中，由快速结晶前缘产生的无序是否可热力学松弛，或是否保持冻结状态。
• 比较单分散单组分体系与多分散或双组分混合物在缺陷修复和结构弛豫动力学方面的行为。

提出的方法

• 采用动力学密度泛函理论（DDFT）模拟深度淬火后二维软核粒子系统的非平衡动力学。
• 模拟单组分和双组分二维系统，以比较单分散与多分散条件下的缺陷形成与弛豫行为。
• 分析结晶前缘后的前缘传播速度和密度调制波数，以识别前缘是否为拉拽型（线性决定）或推动型（非线性决定）。
• 使用键角分布分析和密度峰识别，量化结构有序度并检测是否存在六角、四方或混合有序结构。
• 追踪结构特征（如键角分布中的峰展宽）随时间的演化，以评估缺陷弛豫随时间的变化。
• 通过比较不同淬火深度的结果，区分由线性（拉拽型）前缘主导和非线性（推动型）前缘主导的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使平衡相为高度有序的晶体，深度淬火如何导致凝固液体中缺陷和无序的形成？
• RQ2 在深度淬火系统中，结晶前缘后沉积的密度调制波长由什么决定？其与平衡晶体晶格间距相比如何？
• RQ3 在多组分体系中，由快速线性驱动前缘产生的无序在长时间尺度下持续存在的条件是什么？
• RQ4 为何在初始具有六角有序性的淬火双组分体系中，60°处的键角分布峰会随时间展宽？
• RQ5 浅淬火（非线性、推动型前缘）与深淬火（线性、拉拽型前缘）中，前缘速度和波数选择有何不同？

主要发现

• 深度淬火导致由线性动力学控制的结晶前缘，产生波长与平衡晶体晶格间距不匹配的密度调制。
• 在单分散体系中，由波长不匹配引起的初始无序会随时间通过粒子重排而基本消除，形成高度有序结构。
• 在双组分混合物中，由波数不匹配引起的结构无序被动力学捕获，无法弛豫，导致持久缺陷及四方与六角有序的混合结构。
• 对于体积分数 φ = 0.75 的淬火双组分体系，60° 处的键角分布峰随时间展宽，表明因缺陷形成导致的应变弛豫使无序程度增加。
• 仅当淬火深度足够深以进入拉拽型前缘区域（T < Tx）时，前缘速度和波数才由线性过程决定，此时前缘速度超过非线性前缘的速度。
• 无序生成机制具有深度淬火特异性；在浅淬火中，成核与生长占主导，形成的结构通常更有序。