입자 경계

입자 경계는 다결정 재료에서 두 입자 또는 결정체 사이의 경계면입니다.입자 경계는 결정 구조의 2D 결함으로 재료의 전기 및 열 전도율을 감소시키는 경향이 있습니다.대부분의 입자 경계는 부식 시작^[1] 및 고체로부터의 새로운 상 침전에 적합한 현장이다.그것들은 또한 ^[2]크리프의 많은 메커니즘에 중요하다.한편, 입자 경계는 물질을 통한 전위의 움직임을 방해하기 때문에 결정체 크기를 줄이는 것은 홀-페치 관계에서 설명한 바와 같이 기계적 강도를 향상시키는 일반적인 방법입니다.재료의 기계적, 전기적 및 기타 특성에 대한 곡립 경계와 그 영향에 대한 연구는 재료 과학에서 중요한 주제를 형성합니다.

높은 각도 및 낮은 각도 경계

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두 곡물의 방향 오차의 정도에 따라 곡물의 경계를 분류하는 것이 편리하다.저각도 입자 경계(LAGB) 또는 하위 경계는 방향이 약 15도 ^[3]미만인 경계입니다.일반적으로 그것들은 일련의 전위들로 구성되며 그 특성과 구조는 잘못된 방향성의 함수이다.이와는 대조적으로 방향 오차가 약 15도 이상인 고각 입자 경계의 특성은 일반적으로 방향 오차와 무관한 것으로 밝혀졌다.그러나 특정 방향에는 계면 에너지가 일반적인 고각 입자 경계보다 현저히 낮은 '특수 경계'가 있다.

가장 단순한 경계는 회전 축이 경계 평면에 평행한 기울기 경계입니다.이 경계는 하나의 연속된 결정체 또는 어떤 외부 힘에 의해 서서히 구부러지는 입자로 형성된다고 생각할 수 있습니다.격자의 탄성 굽힘과 관련된 에너지는 기본적으로 쐐기처럼 작용하는 원자의 반평면인 전위를 삽입함으로써 감소될 수 있으며, 이는 양쪽 사이에 영구적인 방향 착오를 일으킨다.곡립이 더 구부러질수록 변형을 수용하기 위해 점점 더 많은 전위가 도입되어야 합니다. 즉, 낮은 각도의 경계인 전위의 벽이 커집니다.이제 그 입자는 관련된 결정학의 두 개의 하위 입자로 분할된 것으로 간주될 수 있지만, 특히 방향은 다르다.

다른 방법으로는 경계 평면에 수직인 축을 중심으로 방향이 잘못된 트위스트 경계가 있습니다.이 유형의 경계에는 두 세트의 나사 전위가 포함되어 있습니다.전위의 버거 벡터가 직교하는 경우 전위는 강하게 상호 작용하지 않고 사각 네트워크를 형성합니다.다른 경우에는 전위가 상호 작용하여 보다 복잡한 육각형 구조를 형성할 수 있습니다.

기울기 및 비틀기 경계의 이러한 개념은 다소 이상적인 경우를 나타냅니다.대부분의 경계는 혼합형이며, 인접한 곡류 사이에 가장 잘 맞도록 하기 위해 다양한 유형의 전위 및 버거 벡터를 포함합니다.

경계의 전위가 고립되고 뚜렷한 상태로 유지되면 경계가 낮은 각도로 간주될 수 있다.변형이 계속되면 전위 밀도가 증가하여 인접 전위 사이의 간격이 감소합니다.결국, 전위의 핵심이 겹치기 시작하고 경계의 질서 있는 특성이 무너지기 시작할 것입니다.이 시점에서 경계는 고각이고 원래의 입자는 완전히 분리된 두 개의 입자로 분리된 것으로 간주할 수 있다.

저각의 입자 경계에 비해 고각의 경계가 상당히 무질서하고, 적합도가 낮은 넓은 면적을 가지며, 비교적 개방적인 구조를 가진다.사실, 그것들은 원래 곡물들 사이의 비정질 혹은 심지어 액체 층의 어떤 형태로 생각되었다.그러나, 이 모델은 입자 경계선의 관측된 강도를 설명할 수 없었고, 전자 현미경의 발명 이후, 입자 구조의 직접적인 증거는 가설을 폐기해야 한다는 것을 의미했다.이제 경계는 두 입자의 방향과 계면의 평면 양쪽에 의존하는 구조 단위로 구성된다는 것이 인정된다.존재하는 구조 단위의 유형은 두 개의 잘못된 방향의 격자가 일치하는 지점에서 반복되는 단위가 형성되는 일치 부위의 격자의 개념과 관련될 수 있다.

동시 사이트 격자(CSL) 이론에서 두 입자 구조 간의 적합도(δ)는 총 ^[4]사이트 수에 대한 동시 사이트 비율의 역수로 설명된다.이 틀에서는 2개의 입자에 대한 격자를 그려 공유되는 원자수(공생 부위)와 경계상의 원자수(총 부지수)를 셀 수 있다.예를 들어, δ=3일 때 두 격자 사이에서 공유되는 세 개의 원자가 각각 하나씩 있을 것이다.따라서 δ가 높은 경계는 δ가 낮은 경계보다 높은 에너지를 가질 것으로 예상할 수 있다. 왜곡이 전위에 의해 완전히 수용되는 저각 경계가 δ1이다.다른 일부 저Ω 경계는 특히 경계 평면이 고밀도의 동시 사이트를 포함하는 경우 특별한 특성을 가진다.예로는 FCC 소재의 일관성 있는 쌍둥이 경계(예: δ3)와 높은 이동성 경계(예: δ7)가 있다.이상적인 CSL 방향으로부터의 편차는 국소 원자 완화 또는 경계에서의 전위 포함에 의해 수용될 수 있다.

경계 설명

경계는 두 입자에 대한 경계 방향과 입자를 일치시키기 위해 필요한 3차원 회전으로 기술할 수 있다.따라서 경계는 5개의 거시적 자유도를 가진다.그러나 경계를 인접 곡물의 방향 관계로만 설명하는 것이 일반적이다.일반적으로 경계 평면 방향을 무시하는 편리성이 감소된 정보보다 훨씬 중요합니다.두 입자의 상대적 방향은 회전 행렬을 사용하여 설명합니다.

${\displaystyle R=bgin{bmatrix}a_{12}&a_{13}\a_{22}&a_{23}\a_{312}&a_{32}&a_{33}\end{bmatrix}}$

이 시스템을 사용하여 회전 각도 θ는 다음과 같습니다.

$(\displaystyle 2\cos \;\theta \;+1=a_{11}+a_{22}+a_{33),\!}$

회전축의 방향[uvw]은 다음과 같습니다.

$({displaystyle [(a_{32}-a_{23}), (a_{13}-a_{31}), (a_{21)-a_{12})],\!}$

관련된 결정학의 특성은 경계의 잘못된 방향을 제한한다.텍스처가 없는 완전히 랜덤한 다결정체는 따라서 경계 오방향의 특징적인 분포를 가진다(그림 참조).그러나 이러한 경우는 드물며 대부분의 재료는 이 이상에서 다소 벗어납니다.

경계 에너지

저각도 경계의 에너지는 고각도 상태로 전환될 때까지 인접 입자 사이의 방향 오류 정도에 따라 달라진다.단순한 기울기 경계의 경우, 버거 벡터 b와 간격 h와의 전위로 구성된 경계의 에너지는 판독값에 의해 예측된다.쇼클리 방정식:

$\displaystyle _{s}=\display _{0}\theta (A-\ln \theta ),\!}$

여기서:

$\displaystyle \theta = b/h,\!$

$\displaystyle _{0}=Gb/4\pi(1-\nu ),\!}$

${\displaystyle A=1+\ln(b/2\pi r_{0}),\!}$

$G{\displaystyle }${\$displaystyle$ G$}$는 전단 계수,$\theta {\displaystyle }$ {\$displaystyle \nu}$는 포아송 비율, $r{\displaystyle {}_{}}$ {\$displaystyle r_{0}$은 전위 코어의 반지름입니다.경계의 에너지가 증가함에 따라 전위당 에너지가 감소함을 알 수 있다.따라서 더 적은 수의 잘못된 방향의 경계(즉, 곡물 성장)를 생산하는 원동력이 있습니다.

고각도 경계의 상황은 더 복잡하다.이론상 이상적인 CSL 구성에 있어 에너지가 최소가 될 것으로 예측하고 있지만, 변위 및 기타 에너지 특징을 필요로 하는 편차는 그 관계가 더 복잡하다는 것을 경험적 측정이 시사한다.에너지에서 예측된 일부 기압골은 예상대로 발견되는 반면, 다른 기압골은 누락되거나 상당히 감소합니다.이용 가능한 실험 데이터에 대한 조사 결과 낮은$\delta {\displaystyle \mathrm{}}$(\$displaystyle \Sigma)$와 같은 단순한 관계가 오해를 불러일으키는 것으로 나타났다.

결론적으로 저에너지에 대한 일반적이고 유용한 기준은 단순한 기하학적 프레임워크에 포함될 수 없다.계면 에너지의 변화를 이해하려면 원자 구조와 ^[5]계면에서의 결합의 세부 사항을 고려해야 합니다.

초과 볼륨

과잉 부피는 곡물 경계를 특징짓는 또 다른 중요한 특성이다.초과 물량은 ^[6]비숍이 1972년 Aaron과 Bolling에게 비공개 통신에서 처음 제안했습니다.GB의 존재에 의해 얼마나 팽창이 유발되는지를 기술하고 분리 정도와 민감도는 이에 정비례한다고 생각됩니다.초과 볼륨이라는 이름은 실제로는 길이의 변화이지만, 이는 GB의 2D 특성 때문에 GB 평면에서 일반적인 확장 길이입니다.초과 볼륨( ${\displaystyle v}$V \ $display$ \ $delta$V$$)은 다음과 같이 정의됩니다.

${\displaystyle V=\left({\frac {\partial V}{\partial A}}\right)_{T,p,n_{i}},$

일정한 $온도{\displaystyle }$ T$(\displaystyle$ T$),$ $압력$$$p(\$displaystyle$ p$)$ 및 $원자{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {수}_{}}$ $ni(\$displaystyle$n_{$i$\})$에서 이 관계가 위반되는 방향은 기계와 전기에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.ical 속성.^[7]

초과 부피를 직접 조사하는 실험 기술이 개발되어 나노 결정 구리와 ^[8][9]니켈의 특성을 탐구하는 데 사용되었습니다.이론적인 방법 또한 개발되었고 잘 일치하고 있다.중요한 관찰은 벌크 계수(물질을 압축하는 능력)가 클수록 초과 부피가 작아지고 격자 상수와 직접적인 관계가 있다는 것을 의미하는 벌크 계수(bulk modulus)와 역관계가 있다는 것이다. 이는 특정 물질에 대해 바람직한 초과 부피를 가진 물질을 찾는 방법론을 제공한다.어플.

경계 이행

곡립경계(HAGB)의 이동은 재결정화와 곡립성장에 영향을 미치는 반면, 곡립경계(LAGB)의 이동은 회복과 재결정화의 핵 형성에 큰 영향을 미칩니다.

경계가 움직이는 것은 경계가 작용하는 압력 때문입니다.일반적으로 속도는 압력에 정비례하며 비례 상수는 경계의 이동성이라고 가정한다.모빌리티는 온도에 크게 의존하며 많은 경우 Arrhenius 유형의 관계를 따릅니다.

${\displaystyle M=M_{0}\exp \lefts{\frac {Q}{RT}}\right),\!}$

겉보기 활성화 에너지(Q)는 경계 이동 중에 발생하는 열적으로 활성화된 원자 작용과 관련이 있을 수 있습니다.그러나 이동성이 구동 압력에 따라 달라지고 가정된 비례성이 분해될 수 있는 몇 가지 제안된 메커니즘이 있습니다.

일반적으로 저각 경계의 이동성이 고각 경계의 이동성보다 훨씬 낮다는 것은 인정된다.다음 관측치는 특정 조건에서 참인 것으로 나타납니다.

• 낮은 각도 경계의 이동성은 경계가 작용하는 압력에 비례합니다.
• 속도 제어 프로세스는 벌크 확산 프로세스입니다.
• 방향을 잘못 잡으면 경계 이동성이 증가합니다.

저각 경계가 전위 배열로 구성되고 그 움직임은 전위 이론과 관련이 있을 수 있습니다.실험 데이터를 고려할 때 가장 가능성이 높은 메커니즘은 전위 상승이며,^[11] 이는 벌크에서의 용질 확산에 의해 제한된다.

고각 경계의 이동은 인접한 곡물들 사이의 원자의 이동에 의해 일어난다.이것이 발생할 수 있는 용이성은 경계의 구조에 따라 달라지며, 그 자체는 관련된 입자의 결정학, 불순물 원자 및 온도에 따라 달라진다.어떤 형태의 무확산 메커니즘(마텐사이트와 같은 무확산 위상 변환에 대한 아크인)이 특정 조건에서 작동할 수 있습니다.스텝이나 ledge와 같은 경계의 일부 결함은 원자 전송을 위한 대체 메커니즘을 제공할 수도 있습니다.

고각 경계가 일반 격자에 비해 불완전하게 채워져 있기 때문에 용질 원자가 더 낮은 에너지를 가질 수 있는 여유 공간 또는 여유 부피가 있습니다.그 결과, 경계를 그 움직임을 지연시키는 용질 분위기와 관련지을 수 있다.더 높은 속도에서만 경계가 대기를 벗어나 정상적인 움직임을 재개할 수 있을 것이다.

저각도 및 고각도 경계는 모두 소위 제너 핀잉 효과를 통해 입자의 존재에 의해 지연됩니다.이러한 효과는 열처리 중 재결정화 또는 입자 성장을 최소화하거나 방지하기 위해 상업용 합금에서 종종 이용됩니다.

안색

입자 경계는 불순물의 분리를 위해 선호되는 장소이며, 부피와는 다른 조성의 얇은 층을 형성할 수 있다.예를 들어, 실리콘 질화물에는 불순물 양이온도 포함된 얇은 실리카 층이 존재하는 경우가 많습니다.이러한 입자 경계 상은 열역학적으로 안정적이며 벌크 상과 유사하게 전이될 수 있는 준 2차원 상으로 간주할 수 있다.이 경우 온도 또는 ^[12]압력과 같은 열역학 파라미터의 임계값에서 구조와 화학의 급격한 변화가 가능하다.이는 재료의 거시적 특성(예: 전기 저항 또는 크리프 속도)^[13]에 강한 영향을 미칠 수 있다.입자 경계는 평형 열역학을 사용하여 분석할 수 있지만, 그것들은 깁스의 정의를 만족시키지 못하기 때문에 상으로 간주될 수 없다: 그들은 비균질적이고 구조, 구성 또는 성질의 구배를 가질 수 있다.이러한 이유로 이들은 색상으로 정의된다. 즉, 접하는 상과 열역학적 평형을 이루며, 유한하고 안정적인 두께(일반적으로 2-20Ω)를 가진 계면 재료 또는 스태타이다.안색은 접상이 존재해야 하며 그 구성과 구조가 접상과 달라야 한다.벌크 단계와 달리, 안색은 또한 인접 단계에 따라 달라집니다.예를 들어, SiN에₃₃ 존재하는 실리카 농후 비정질층의 두께는 약 10Ω이지만, 특수 경계의 경우 이 평형 두께는 ^[14]0이다.안색은 두께에 따라 단층, 이중층, 삼층, 나노층(평형 두께 1~2nm) 및 습윤의 6가지로 분류할 수 있다.첫 번째 경우 층의 두께는 일정합니다.추가 재료가 존재할 경우 다립자 접합부에서 분리되는 반면, 마지막 경우 평형 두께는 없으며, 이는 재료에 존재하는 2차 상 양에 의해 결정됩니다.Au 도프 Si의 건조 경계에서 빌틸레이어로의 통로는 ^[15]Au의 증가에 의해 생성된다.

전자 구조에 미치는 영향

입자 경계는 용질 분리를 통한 메짐화(Hinkley Point A 원자력 발전소 참조)에 의해 기계적으로 고장을 일으킬 수 있지만, 전자 특성에 악영향을 미칠 수도 있다.금속 산화물에서는 이론적으로 AlO와₂₃ MgO의 입자 경계에서 절연 특성이 현저하게 ^[16]저하될 수 있는 것으로 나타났습니다.밀도 함수 이론을 사용하여 입자 경계의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밴드 갭을 최대 45%^[17]까지 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.금속의 경우 입자의 경계가 다른 산란의 평균 자유 경로에 대한 ^[18]입자의 크기가 유의해짐에 따라 저항률이 증가한다.

입자 경계 부근의 결함 농도

대부분의 재료는 다결정이며 입자 경계를 포함하고 있으며 입자 경계는 점 결함에 대한 싱크 및 운반 경로 역할을 할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.그러나 실험적이고 이론적으로 결점이 시스템에 어떤 영향을 미치는지 결정하는 것은 어렵다.^[19][20][21]점결함이 어떻게 동작하는지에 대한 흥미로운 예는 제벡 ^[22]효과의 온도 의존성에서 나타났다.또한 유전체 및 압전 응답은 입자 ^[23]경계 부근의 점결함 분포에 의해 변경될 수 있다.기계적 특성은 재료 ^[24][25]내 점 결함 분포의 변화에 의해 영향을 받는 벌크 계수 및 감쇠와 같은 특성에도 크게 영향을 받을 수 있습니다.또한 그래핀 내 곤도 효과는 입자 경계와 점 ^[26]결점의 복잡한 관계에 의해 조정될 수 있는 것으로 확인되었다.최근의 이론적 계산에 따르면 특정 입자 경계 유형 근처에서 점 결함이 매우 유리할 수 있으며 밴드 ^[27]갭의 감소와 함께 전자 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

이론과 실험의 관계

구조를 관찰하고 입자 경계의 특성을 측정하기 위해 실험적으로 상당한 양의 작업이 있었지만, 복잡한 다결정망 내 입자 경계의 5차원 자유도는 아직 완전히 파악되지 않았기 때문에 현재 구조와 특성을 제어하는 방법이 없다.원자 ^[28]정밀도를 가진 대부분의 금속과 합금의 s.문제의 일부는 입자의 경계를 이해하기 위한 이론적 작업의 많은 부분이 실제 시스템에서 전형적으로 발견되는 입자의 네트워크를 나타내지 않는 쌍결정 (2개) 입자의 구조에 기초하고 있다는 사실과 임베디드 원자법과 같은 고전적인 힘장의 사용은 종종 가까운 물리학을 묘사하지 않습니다.곡물과 밀도 함수 이론은 현실적인 통찰력을 주기 위해 요구될 수 있다.구조 및 원자 상호작용 측면에서 곡물 경계의 정확한 모델링은 폐기물을 줄이고 재료 사용 및 성능 측면에서 효율성을 높일 수 있는 엔지니어링 개선 효과를 가져올 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 이상입자성장
• 재료의 분리

레퍼런스

추가 정보

• RD Doherty; DA Hughes; FJ Humphreys; JJ Jonas; D Juul Jenson; et al. (1997). "Current Issues In Recrystallisation: A Review". Materials Science and Engineering A. 238 (2): 219–274. doi:10.1016/S0921-5093(97)00424-3. hdl:10945/40175.
• G Gottstein; LS Shvindlerman (2009). Grain Boundary Migration in Metals: Thermodynamics, Kinetics, Applications, 2nd Edition. CRC Press.