[论文解读] Orientation gradients in rapidly solidified pure aluminum thin films: comparison of experiments and phase-field crystal simulations

Paul Jreidini, Tatu Pinomaa+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Solidification and crystal growth phenomena参考文献 37被引用 35

一句话总结

本研究提出了一种单组分相场晶体（PFC）模型，可模拟纯铝薄膜中快速凝固过程的固相、液相和气相。通过使用粗粒化振幅表示法，该模型再现了实验观测到的在超快速淬火过程中单晶内取向梯度的形成，将其与位错和空洞等缺陷的形成建立因果关联。

ABSTRACT

Rapid solidification experiments on thin film aluminum samples reveal the presence of lattice orientation gradients within crystallizing grains. To study this phenomenon, a single-component phase-field crystal (PFC) model that captures the properties of solid, liquid, and vapor phases is proposed to model pure aluminium quantitatively. A coarse-grained amplitude representation of this model is used to simulate solidification in samples approaching micrometer scales. The simulations reproduce the experimentally observed orientation gradients within crystallizing grains when grown at experimentally relevant rapid quenches. We propose a causal connection between formation of defects and orientation gradients.

研究动机与目标

• 研究快速凝固纯铝薄膜中晶格取向梯度的起源。
• 弥合实验观测与原子尺度机制在超快速凝固过程中的差距。
• 开发一种可定量模拟实验相关冷却速率下微观结构演化的PFC模型。
• 建立缺陷形成与取向梯度出现之间的因果关系。

提出的方法

• 采用基于包含液相、气相和固相的自由能泛函的单组分PFC模型。
• 利用粗粒化振幅展开方法，在微米尺度上模拟大尺度系统。
• 自由能泛函引入了温度依赖参数（pl, ql）和两点相关函数C(2)，以稳定二维三角晶格结构。
• 将模型校准至接近三相点的纯铝热力学相图。
• 在快速淬火条件下进行模拟，以模拟实验中激光诱导的再凝固过程。
• 分析位错、空洞和亚晶界等缺陷结构与取向梯度之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铝薄膜快速凝固过程中，单晶内取向梯度的形成原因是什么？
• RQ2 位错和空洞等缺陷结构与取向梯度发展的相关性如何？
• RQ3 相场晶体模型能否定量再现实验观测到的纯铝中取向梯度？
• RQ4 气相捕获在取向梯度和缺陷阵列形成中的作用是什么？
• RQ5 在超快速凝固过程中，缺陷动力学如何随时间演变？

主要发现

• PFC模拟成功再现了快速凝固过程中实验观测到的单晶内取向梯度。
• 模拟结果表明，取向梯度与位错阵列和空洞的存在密切相关，尤其在缺陷密度较高的区域。
• 观察到具有偶极子应变场的位错行以及间距不规则的缺陷在单晶内形成，与取向梯度位置一致。
• 空洞和位错阵列表现出动态演化特征，部分缺陷阵列在时间上表现出位错与空洞之间的可逆转化。
• 亚晶界（单晶内局部取向偏差的区域）的形成与局部缺陷聚集及晶格失配的适应性密切相关。
• 该模型表明，取向梯度是超快速凝固过程中复杂缺陷动力学的结果，而非晶界运动所致。