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Competing Growth Pathways of γ- and α-Al2O3 during Solid-Phase Epitaxy: The Critical Role of Interfacial Reconstruction

外延 材料科学 相(物质) 结晶学 化学工程 纳米技术 化学 图层(电子) 有机化学 工程类
作者
Zhongyi Wan,J. R. Schmidt
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (25): 10634-10642 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c01495
摘要

The crystallization of amorphous aluminum oxide (Al2O3) via solid-phase epitaxy (SPE) on a (0001), c-plane α-Al2O3 substrate forms a metastable γ-Al2O3 polymorph, followed by a sequence of other metastable polymorphs before eventually transforming into thermodynamically stable α-Al2O3. Using molecular dynamics (MD) simulation together with on-the-fly probability enhanced sampling (OPES), the free energy profiles for the epitaxial growth of α-Al2O3 and γ-Al2O3 on a c-plane α-Al2O3 substrate are calculated. MD simulation shows that the SPE growth of γ-Al2O3 is mechanistically simple, with a minimal free energy barrier for interfacial rearrangement. In contrast, the SPE growth of α-Al2O3 is complicated, involving an unstable intermediate, which involves aluminum sublattice rearrangement, and a γ-like interfacial layer (denoted as γ*), which lowers the interfacial free energy of the newly crystallized α-Al2O3. Comparing the free energy profiles of the two competing pathways, we find that the epitaxial growth of α-Al2O3 is thermodynamically favored yet kinetically hindered. In contrast, the epitaxial growth of γ-Al2O3 requires merely overcoming a sliding fault barrier, which is expected to be easily achieved under annealing. Consequently, polymorph sequence and phase selection of γ-Al2O3 are achieved largely due to the presence of the γ* interfacial layer, which highlights the importance of interface reconstruction during SPE in polymorphic systems.
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