การจำลองเชิงทฤษฎีของเซรามิกเคลือบแข็งที่สามารถปรับแต่งสมบัติได้ด้วยกลยุทธ์การผสม และข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึก

วัสดุเซรามิกในกลุ่มโลหะทรานซิชันไดโบไรด์รวมถึงสารละลายของแข็งของโลหะทรานซิชันไดโบไรด์ที่ประกอบด้วยโลหะมากกว่าหนึ่งธาตุได้รับความสนใจอย่างมากในการศึกษาทางทฤษฎีและการทดลองเนื่องจากสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีเคลือบแข็งได้ ในบรรดาโลหะทรานซิชันไดโบไรด์หลายชนิด พฤติกรรมของ (Ta,Al)B₂ ซึ่งเกิดจากการผสมของแทนทาลัมไดโบไรด์ (TaB₂) กับอลูมิเนียมไดโบไรด์ (AlB₂) ยังไม่ได้รับการศึกษาที่ครอบคลุม เมื่อไม่นานมานี้ Šroba et al. [1] ได้รายงานผลการทดลองที่บ่งชี้ว่าธาตุ Al ไม่สามารถผสมในโครงสร้างผลึกของ TaB₂ และก่อตัวเป็นสารละลายของแข็ง (Ta,Al)B₂ ที่เสถียรได้ ซึ่งขัดแย้งกับการทำนายทางทฤษฎีตามการคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (density functional theory; DFT) ของ Alling et al. [2] ที่ทำนายพฤติกรรมการผสมของธาตุ Ta และ Al ใน (Ta,Al)B₂ ที่คาดว่าจะสามารถก่อตัวเป็นของสารละลายของแข็งที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ได้ ความขัดแย้งระหว่างการสังเกตจากการทดลองและการคาดการณ์ทางทฤษฎีก่อให้เกิดคำถามสำคัญหลายประการที่นำไปสู่วัตถุประสงค์ในการศึกษาในงานนี้

งานวิจัยนี้ตรวจสอบความเสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์ สมบัติเชิงโครงสร้าง สมบัติเชิงอิเล็กทรอนิกส์ และสมบัติความยืดหยุ่นของสารละลายของแข็ง (Ta,Al)B₂ อย่างครอบคลุม โดยใช้การคำนวณ DFT ร่วมกับวิธีการขยายคลัสเตอร์ (cluster-expansion method) และนอกจากนี้ยังประเมินผลกระทบของการเกิดข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกต่อความเสถียรและสมบัติของ (Ta,Al)B₂ ซึ่งสืบเนื่องมาจากการค้นพบในงานวิจัยก่อนหน้าที่แสดงให้เห็นว่าข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกมีบทบาทสำคัญต่อเสถียรภาพและสมบัติของ TaB₂ และ AlB₂ [3-5] งานวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการผสมธาตุ Al เข้าไปในโครงสร้าง TaB₂ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์โครงสร้างวัสดุและความหนาแน่นของสถานะเชิงอิเล็กทรอนิกส์ (electronic density of state) ซึ่งเป็นผลมาจากการลดลงของจำนวนอิเล็กตรอนที่ครอบครองสถานะต่อต้านพันธะ (antibonding states) ในสารละลายของแข็ง (Ta,Al)B₂ และนำไปสู่ผลกระทบต่อสมบัติความยืดหยุ่นของ (Ta,Al)B₂ ด้วย แม้ว่าสมบัติความยืดหยุ่นของ (Ta,Al)B₂ จะลดลงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ TaB₂ แต่สมบัติความแข็งกลับเพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่า (Ta,Al)B₂ ที่ไม่มีข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกนั้นไม่มีความเสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์ที่สถานะพื้น ในขณะที่ข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกบางส่วนที่ตำแหน่งธาตุ Al กลับทำให้สารละลายของแข็ง (Ta,Al)B₂ ในสภาวะพร่องธาตุ Al มีเสถียรภาพได้และยังแสดงแนวโน้มการปรับปรุงสมบัติความแข็งที่เพิ่มมากขึ้นจากเดิมอีกด้วย ผลงานวิจัยนี้นำไปสู่การสร้างแผนภาพที่แสดงความเสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์ที่สถานะพื้นของสารประกอบและสารละลายของแข็งในระบบไตรภาค Ta-Al-B และแสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องกันระหว่างการทำนายทางทฤษฎีและผลการทดลอง ซึ่งบ่งชี้ถึงความไม่เสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์ของสารละลายของแข็ง (Ta,Al)B₂ ที่มีแนวโน้มสลายตัวไปสู่โครงสร้างผสมของ (Ta,Al)B₂ ในสภาวะพร่องธาตุ Al และอัญรูปของธาตุหรือสารประกอบทวิภาคอื่น ๆ ในระบบ Ta-Al-B ดังที่พบในกระบวนการสังเคราะห์ (Ta,Al)B₂

[1] B. Alling et. al., Sci. Rep. 5, 9888 (2015).

[2] V. Šroba et. at., J. Vac. Sci. Technol A 41, 023410 (2023).

[3] E. Johansson et al., J. Appl. Phys. 130, 015110 (2021).

[4] M. Dahlqvist et. al., Materialia 26, 101629 (2022).

[5] A. Ektarawong et. al., J. Phys.: Materials 6, 025002 (2023).

การค้นพบเชิงทฤษฎีนี้มีส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ร่วมกันระหว่างการผสมกันของธาตุ Ta และ Al และการมีอยู่ของช่องว่างในโครงสร้างของโลหะผสมต่อความเสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์และสมบัติความยืดหยุ่นของ (Ta,Al)B₂ และด้วยเหตุนี้จึงให้ข้อมูลเชิงลึกอันมีค่าสำหรับการวิจัยและการพัฒนาเซรามิกเคลือบแข็งเหล่านี้ต่อไป

งานวิจัยเชิงทฤษฎีนี้เพิ่มเติมองค์ความรู้เชิงวิชาการต่อการวิจัยและการพัฒนาวัสดุเคลือบแข็งซึ่งช่วยเสริมสร้างความแข็งแรง และเพิ่มอายุการใช้งานของวัสดุในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น การผลิตและขึ้นรูป อุตสาหกรรมยานยนต์ และเครื่องมือการแพทย์

การอ้างอิงของงานวิจัย

Ektarawong, A., Atthapak, C., & Alling, B. (2024). Role of Al Vacancies in Thermodynamic Stability and Elastic Properties of AlB₂-type (Ta, Al)B₂: A First-Principles Study. Advanced Theory and Simulations, 7(10), 2400421.

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Theory and Simulations (T1 Scopus, Impact Factor 2.9)

Published: July 2024

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่

https://doi.org/10.1002/adts.202400421

รายชื่อนักวิจัย

รศ.ดร.อรรณพ เอกธาราวงศ์ และ นายชญานนท์ อรรถปักษ์ จากทีมห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สภาวะรุนแรง (ECPRL) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ร่วมกับนักวิจัยฟิสิกส์ทฤษฎีของวัสดุไร้ระเบียบ Assoc. Prof. Björn Alling จาก Theoretical Physics Division, Department of Physics Chemistry and Biology (IFM), Linköping University, ราชอาณาจักรสวีเดน ศึกษาบทบาทของข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกของธาตุอลูมิเนียมที่มีต่อความเสถียรเชิงอุณหพลศาสตร์และสมบัติความยืดหยุ่นของแทนทาลัมอลูมิเนียมไดโบไรด์ หรือ (Ta,Al)B₂ ผ่านการคำนวณเชิงควอนตัม