Метод капілярних флуктуацій та поверхнева енергія на межі  рідина-кристал

Валерій Плечистий; Степан Мудрий; Марта Дуфанець; Ігор Штаблавий

doi:10.15407/fmmit2022.34-35.046

Валерій Плечистий
Степан Мудрий
Марта Дуфанець
Ігор Штаблавий

DOI: https://doi.org/10.15407/fmmit2022.34-35.046

Ключові слова: міжфазна енергія, межа розділу, метод молекулярної динаміки, метод капілярних флуктуацій

Анотація

Проведено розрахунок міжфазної поверхневої енергії на межі рідка-кристалічна фази для деяких щільно упакованих металів (Au, Cu, Al) та кремнію. Для обчислень використано метод капілярних флуктуацій за температур близьких до точки плавлення досліджених матеріалів. Формування двофазної системи на атомному рівні здійснювали за допомогою методу молекулярної динаміки з використанням пакету для класичної молекулярної динаміка LAMMS. Міжфазову жорсткість для матеріалів з різною кристалографічною орієнтацію границі фаз визначали з аналізу флуктуаційного спектру, який своєю чергою отримували шляхом перетворення Фур’є осциляцій міжфазної границі.
Показано, що величина вільної енергії зростає в ряді в ряді Al→Au→Cu→Si.

Посилання

Ip S.W., Toguri J.M. The Equivalency of Surface Tension, Surface Energy and Surface Free Energy. - J. Mater. Sci., 1994, vol. 29. № 3. P. 688-692. https://doi.org/10.1007/BF00445980

Hardy S. C. A grain boundary groove measurement of the surface tension between ice and water, - The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics, 1977, 35. - P. 471-484. https://doi.org/10.1080/14786437708237066

Dash, J.G., Hodgkin, V.A. & Wettlaufer, J.S. Dynamics of Faceted Grain Boundary Grooves, - Journal of Statistical Physics, 1999, 95. - P. 1311-1322. https://doi.org/10.1023/A:1004579223189

Wilen L. A. and Dash J. G. Giant facets at ice grain boundary grooves. - Science, 1995, 270. - P. 1184-1186. https://doi.org/10.1126/science.270.5239.1184

Turnbull D. Formation of Crystal Nuclei in Liquid Metals. - J. Appl. Phys., 1950, 21. - P. 1022-1027. https://doi.org/10.1063/1.1699435

Mueller B. A. and Perepezko J. H. The undercooling of aluminum. - Metall. Trans., 1987, 18A P. 1143-1150. https://doi.org/10.1007/BF02668565

Zengyun Jian, Kazuhiko Kuribayashi, Wanqi Jie Solid-liquid Interface Energy of Metals at Melting Point and Undercooled State, - MATERIALS TRANSACTIONS, 2002, vol, 43. - iss. 4. - P. 721-726. https://doi.org/10.2320/matertrans.43.721

Spaepen F. A structural model for the solid-liquid interface in monatomic systems. - Acta Metall., 1975, 23. - P. 729-743.

https://doi.org/10.1016/0001-6160(75)90056-5

Spaepen F. and Meyer R. B. The surface tension in a structural model for the solid-liquid interface. - Scipta Metall, 1976, 10. - P. 257-263. https://doi.org/10.1016/0036-9748(76)90374-4

Grananfy L., Tegze M. and Ludwig A. Solid-liquid interfacial free energy. - Mater. Sci. Eng., 1991, A133. - P. 577-580. https://doi.org/10.1016/0921-5093(91)90138-D

Spaepen F. The temperature dependence of the crystal-melt interfacial tension: a simple model. - Mater. Sci. Eng., 1994, A178. - P. 15-18.

https://doi.org/10.1016/0921-5093(94)90511-8

Jiang Q., Shi H. X. and Zhao M. Free energy of crystal-liquid interface. - Acta Metall., 1999, 47. - P. 2109-2113. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00085-3

Broughton J.Q., Gilmer G.H. Molecular Dynamics Investigation of the Crystal-Fluid Interface. VI. Excess Surface Free Energies of Crystal-Liquid Systems. - J. Chem. Phys, 1986, vol. 84. - № 10. - P. 5759.

https://doi.org/10.1063/1.449884

Davidchack R.L., Laird B.B. Direct calculation of the hard sphere crystal/melt interfacial free energy. - Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 85. - № 22. - P. 4751. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.4751

Davidchack R.L., Laird B.B. Direct calculation of the crystal-melt interfacial free energies for continuous potentials: application to the Lennard-Jones system. - J. Chem. Phys., 2003, 118. 16. - P. 7651. https://doi.org/10.1063/1.1563248

Hoyt J., Asta M., Karma A. Method for Computing the Anisotropy of the Solid-Liquid Interfacial Free Energy. - Phys. Rev. Lett., 2001, vol. 86. - № 24. - P. 5530. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.5530

Morris J.R., Song X. The anisotropic free energy of the Lennard-Jones crystal-melt interface. - J. Chem. Phys., 2003, vol. 119. - № 7. - P. 3920.

https://doi.org/10.1063/1.1591725

Plechystyy V., Shtablavyi I, Winczewski S., Rybacki K., Mudry S. and Rybicki J. Structure of the interlayer between Au thin film and Si-substrate: Molecular Dynamics simulations. - Mater. Res. Express, 2020, 7. - P. 026553. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab5e76

Plechystyy V., Shtablavyi I., Winczewski S., Rybacki K., Tsizh B., Mudry S. & Rybicki J. Effect of heat treatment on the diffusion intermixing and structure of the Cu thin film on Si (111) substrate: a molecular dynamics simulation study. - Molecular Simulation, 2021, 47:17. - P. 1381-1390.

https://doi.org/10.1080/08927022.2021.1974433

Plechystyy, V., Shtablavyi, I., Tsizh, B. et al. Atomic composition and structure evolution of the solid-liquid boundary in Al-Si system during interfacial diffusion and contact melting. - J. Phase Equilib. Diffus., 2022, 43. - P. 256-265. https://doi.org/10.1007/s11669-022-00955-8

Guichao. HU, Chao Luo, Lingkang Wu et al Molecular dynamics simulation of solid/liquid interfacial energy of uranium. -Journal of Nuclear Materials, 2020, 538. - P. 152183. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152183

Davidchack R.L., Morris J.R., Laird B.B. The anisotropic hard-sphere crystal-melt interfacial free energy from fluctuations. - J. Chem. Phys., 2006, 125. - P. 094710. https://doi.org/10.1063/1.2338303

Jones H. The solid-liquid interfacial energy of metals: calculations versus measurements. - Materials Letters, 2002, 53. - P. 364-366.

https://doi.org/10.1016/S0167-577X(01)00508-0