Epitaksi dalam Mikrostuktur Baja: Pembentukan, Karakteristik & Dampak

Definisi dan Konsep Dasar

Epitaksi mengacu pada proses di mana lapisan kristalin (lapisan epitaksial) disimpan pada substrat kristalin sehingga lapisan yang disimpan mengadopsi orientasi kristalografi tertentu yang sejajar dengan substrat. Dalam konteks metalurgi dan mikrostruktur, epitaksi menggambarkan pertumbuhan fase kristal baru atau fitur mikrostruktur pada kristal induk, mempertahankan antarmuka yang koheren atau semi-koheren dengan kisi yang mendasarinya.

Di tingkat atom, epitaksi diatur oleh penyelarasan bidang kisi dan arah antara substrat dan lapisan atas, didorong oleh minimisasi energi antarmuka. Proses ini melibatkan nukleasi dan pertumbuhan kristal yang mewarisi orientasi kristalografi dari substrat, menghasilkan mikrostruktur yang sangat teratur.

Dalam metalurgi baja, epitaksi memainkan peran penting dalam evolusi mikrostruktur selama pembekuan, perlakuan panas, dan transformasi fase. Ini mempengaruhi karakteristik batas butir, distribusi fase, dan pengembangan fitur mikrostruktur yang berdampak langsung pada sifat mekanik, ketahanan korosi, dan kinerja.

Sifat Fisik dan Karakteristik

Struktur Kristalografi

Mikrostruktur epitaksial ditandai oleh antarmuka koheren atau semi-koheren antara substrat dan fase yang tumbuh di atasnya. Susunan atom dalam lapisan epitaksial mencerminkan struktur kisi dari substrat, sering kali dengan hubungan orientasi tertentu.

Dalam baja, struktur kristal umum yang terlibat termasuk fase ferit atau martensit kubik berpusat badan (BCC) dan austenit kubik berpusat muka (FCC). Misalnya, selama nukleasi semenit (Fe₃C) pada ferit, semenit dapat tumbuh secara epitaksial, mengadopsi hubungan orientasi tertentu yang meminimalkan energi antarmuka.

Parameter kisi sangat penting; untuk besi BCC, parameter kisi adalah sekitar 2.866 Å pada suhu kamar. Ketika epitaksi terjadi, konstanta kisi lapisan atas sering kali tertekan untuk mencocokkan substrat, terutama selama nukleasi awal, yang mengarah pada antarmuka koheren.

Orientasi kristalografi dijelaskan menggunakan hubungan orientasi seperti hubungan Nishiyama-Wassermann atau Kurdjumov-Sachs, yang menentukan penyelarasan bidang kisi dan arah antara fase.

Fitur Morfologis

Fitur epitaksial biasanya muncul sebagai lapisan tipis, datar atau konstituen mikrostruktur yang memanjang yang sejajar dengan arah kristalografi substrat. Ukuran daerah epitaksial dapat berkisar dari nanometer hingga mikrometer, tergantung pada kondisi pertumbuhan dan parameter pemrosesan.

Dalam mikrograf, lapisan epitaksial muncul sebagai daerah kontinu yang teratur dengan orientasi seragam, sering kali terlihat di bawah mikroskop elektron sebagai garis atau titik difraksi yang tergores. Mereka dapat terbentuk sebagai film tipis di sepanjang batas butir atau sebagai inklusi koheren dalam matriks.

Dari segi morfologi, pertumbuhan epitaksial dapat menghasilkan struktur lamelar, mirip pelat, atau mirip jarum, tergantung pada fase dan kondisi pertumbuhan. Konfigurasi tiga dimensi sering melibatkan lapisan atau fitur yang memanjang yang sejajar dengan sumbu kristalografi tertentu.

Sifat Fisik

Mikrostruktur epitaksial mempengaruhi beberapa sifat fisik:

• Kepadatan: Karena lapisan epitaksial koheren atau semi-koheren, mereka tidak secara signifikan mengubah kepadatan keseluruhan tetapi dapat mempengaruhi medan regangan lokal.
• Konduktivitas Listrik: Sifat teratur dari daerah epitaksial dapat meningkatkan konduktivitas listrik sepanjang arah tertentu karena pengurangan hamburan.
• Sifat Magnetik: Dalam baja ferromagnetik, pertumbuhan epitaksial dapat mempengaruhi orientasi domain magnetik dan anisotropi magnetik.
• Konduktivitas Termal: Antarmuka koheren memfasilitasi transfer fonon, berpotensi meningkatkan konduktivitas termal sepanjang bidang epitaksial.

Jika dibandingkan dengan konstituen mikrostruktur lainnya, daerah epitaksial cenderung memiliki keteraturan kristalografi yang lebih tinggi, lebih sedikit cacat, dan sifat anisotropik yang lebih dapat diprediksi.

Mekanisme Pembentukan dan Kinetika

Dasar Termodinamika

Gaya pendorong termodinamika untuk pertumbuhan epitaksial adalah pengurangan total energi bebas di antarmuka. Ketika fase baru terbangun pada substrat dengan kisi yang kompatibel, energi antarmuka diminimalkan jika lapisan atas mengadopsi orientasi yang sejajar dengan kisi substrat.

Diagram fase memberikan wawasan tentang stabilitas fase yang terlibat. Misalnya, selama pendinginan, pembentukan semenit atau karbida lainnya dapat berlangsung secara epitaksial pada ferit, didorong oleh energi antarmuka yang lebih rendah yang terkait dengan hubungan orientasi tertentu.

Stabilitas lapisan epitaksial tergantung pada keseimbangan antara energi regangan akibat ketidakcocokan kisi dan energi antarmuka. Ketika ketidakcocokan kisi kecil (biasanya kurang dari 5%), pertumbuhan epitaksial koheren lebih diutamakan.

Kinetika Pembentukan

Nukleasi lapisan epitaksial melibatkan pembentukan inti kritis dengan orientasi tertentu. Laju nukleasi dipengaruhi oleh suhu, supersaturasi, dan energi antarmuka.

Pertumbuhan berlangsung melalui keterikatan atom di antarmuka, dengan laju yang dikendalikan oleh difusi atom dan mobilitas antarmuka. Proses ini sering ditandai oleh energi aktivasi yang bergantung pada suhu, dengan suhu yang lebih tinggi mendorong pertumbuhan lebih cepat tetapi berpotensi menyebabkan kesalahan orientasi atau pembentukan cacat.

Kinetika juga dipengaruhi oleh ketersediaan situs nukleasi, seperti batas butir atau dislokasi, yang berfungsi sebagai situs preferensial untuk nukleasi epitaksial.

Faktor yang Mempengaruhi

Faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan epitaksial meliputi:

• Komposisi Kimia: Unsur-unsur seperti karbon, mangan, atau tambahan paduan dapat memodifikasi stabilitas fase dan parameter kisi, mempengaruhi pertumbuhan epitaksial.
• Parameter Pemrosesan: Laju pendinginan, gradien suhu, dan jadwal perlakuan panas mempengaruhi kinetika nukleasi dan pertumbuhan.
• Mikrostruktur Sebelumnya: Ukuran butir, kepadatan dislokasi, dan distribusi fase yang ada mempengaruhi ketersediaan situs nukleasi dan kemungkinan terbentuknya hubungan epitaksial.

Misalnya, pendinginan lambat mendorong pengembangan lapisan epitaksial yang terdefinisi dengan baik, sementara pendinginan cepat dapat menekan pembentukannya.

Model Matematis dan Hubungan Kuantitatif

Persamaan Kunci

Termodinamika pertumbuhan epitaksial dapat dijelaskan oleh teori nukleasi klasik, di mana laju nukleasi $I$ diberikan oleh:

$$I = I_0 \exp \left( - \frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

di mana:

• $I_0$ adalah faktor pre-exponential yang terkait dengan frekuensi getaran atom,
• ( \Delta G^* ) adalah penghalang energi bebas kritis untuk nukleasi,
• ( k ) adalah konstanta Boltzmann,
• $T$ adalah suhu dalam Kelvin.

Energi bebas kritis ( \Delta G^* ) tergantung pada energi antarmuka ( \gamma ), perubahan energi bebas volume ( \Delta G_v ), dan bentuk inti:

$$\Delta G^* = \frac{16 \pi \gamma^3}{3 (\Delta G_v)^2} $$

Regangan ketidakcocokan kisi ( \varepsilon ) mempengaruhi energi elastis yang tersimpan dalam lapisan epitaksial:

$$E_{strain} = \frac{1}{2} E \varepsilon^2 $$

di mana $E$ adalah modulus elastis.

Model Prediktif

Model komputasional seperti simulasi fase-lapangan dan dinamika molekuler digunakan untuk memprediksi pertumbuhan lapisan epitaksial, evolusi antarmuka, dan