journal article·2022-07Open access

Unraveling Thermodynamic and Kinetic Contributions to the Stability of Doped Nanocrystalline Alloys using Nanometallic Multilayers

W. Streit Cunningham, Sean T. J. Mascarenhas, J. Sebastian Riano, Wenbo Wang, Sooyeon Hwang, Khalid Hattar, Andrea M. Hodge, Jason R. Trelewicz

Advanced Materials· Volume 34· Issue 27

Abstract

Abstract Targeted doping of grain boundaries is widely pursued as a pathway for combating thermal instabilities in nanocrystalline metals. However, certain dopants predicted to produce grain‐boundary‐segregated nanocrystalline configurations instead form small nanoprecipitates at elevated temperatures that act to kinetically inhibit grain growth. Here, thermodynamic modeling is implemented to select the Mo–Au system for exploring the interplay between thermodynamic and kinetic contributions to nanostructure stability. Using nanoscale multilayers and in situ transmission electron microscopy thermal aging, evolving segregation states and the corresponding phase transitions are mapped with temperature. The microstructure is shown to evolve through a transformation at lower homologous temperatures (<600 °C) where solute atoms cluster and segregate to the grain boundaries, consistent with predictions from thermodynamic models. An increase in temperature to 800 °C is accompanied by coarsening of the grain structure via grain boundary migration but with multiple pinning events uncovered between migrating segments of the grain boundary and local solute clustering. Direct comparison between the thermodynamic predictions and experimental observations of microstructure evolution thus demonstrates a transition from thermodynamically preferred to kinetically inhibited nanocrystalline stability and provides a general framework for decoupling contributions to complex stability transitions while simultaneously targeting a dominant thermal stability regime.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Microstructure and mechanical properties · nanoparticles nucleation surface interactions · Ion-surface interactions and analysis

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Materials Science and Chemical Engineering Stony Brook University Stony Brook NY 11794 USA

Department of Chemical Engineering and Materials Science University of Southern California Los Angeles CA 90089 USA

Center for Functional Nanomaterials Brookhaven National Lab Upton NY 11973 USA

Center for Integrated Nanotechnologies Sandia National Laboratories Albuquerque NM 87185 USA

Department of Aerospace and Mechanical Engineering University of Southern California Los Angeles CA 90089 USA

Institute for Advanced Computational Science Stony Brook University Stony Brook NY 11794 USA

Funding

U.S. Department of Energy · Basic Energy Sciences

References (100+)

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