::: 科研成果學研成果

國網中心創進一號助攻高熵合金多尺度模擬台大團隊深化台灣關鍵產業材料研發能量

2025.03.12

新型材料開發是產業發展的關鍵課題，臺灣大學材料科學與工程學系郭錦龍教授團隊運用國網中心創進一號超級電腦，透過計算材料及多尺度模擬技術，深入研究高熵合金的特性與應用潛力。研究發現，高熵合金不僅有濳力可作為半導體製程中優異的銅擴散阻障層，在核能、太空及國防等極端環境的應用，更展現出優於傳統材料的卓越性能，為臺灣關鍵產業發展提供重要突破。

傳統材料開發仰賴實驗試誤法，耗時費力且成本高昂。郭錦龍表示，該團隊採用計算材料科學方法，從原子層級模擬預測材料性質，以建立結構與性質間的直接關聯。然而，金屬材料因電子數多且具有離域化特性，計算需求遠超過半導體材料，若考慮磁性的效應，計算量更可能增加4倍。此外，以大型分子動力學模擬研究多晶合金系統時，模擬晶胞的尺度可能會超過120萬顆原子。這些挑戰都需要強大的運算資源支持。

郭錦龍指出FCC與BCC結構這兩種高熵合金系統具有截然不同的溫度依賴性。例如，FCC結構CoCrFeMnNi高熵合金系統在溫度越低時其機械強度越好，有別於傳統金屬在低溫變脆的特性。第一原理計算研究的結果顯示，此高熵合金系統的優異性主要源於在低溫時，其合金疊差能(stacking fault energy)會大幅降低，因而在形變過程中容易形成雙晶結構而增加其強度與延展性。然而，最近的實驗結果顯示，CoCrNi中熵合金系統有比五元高熵合金系統更好的機械強度與延展性。不過，第一原理計算的結果卻顯示三元合金系統的疊差能高於五元高熵合金，而這項發現也挑戰了一般的預期，也是目前理論計算研究的重點。

另一方面，BCC結構的耐火型高熵合金系統則展現出不同的特性，其在高溫時擁有比鎳基超合金還優異的機械性質，在1000oC以上還維持一定的機械強度。目前模擬計算的結果顯示，這兩個高熵合金系統中原子都不是如先前實驗所認為的隨機無序分佈，而是會形成特定的局域有序結構(圖1)。這些局域有序結構的形成會受退火條件所影響，且與材料性質息息相關。然而，局域有序結構的形成如何影響高熵合金的機械強度目前仍無法直接由現有實驗技術來分析，具體物理緣由有待理論模擬計算的結果來說明。

國網中心的創進一號超級電腦在此研究中扮演關鍵角色。相較於台灣杉三號，創進一號在VASP計算效率提升15.16%(圖2)，且支援更高精度的k點密度計算。其單節點提供100核心，具備優異的平行運算效能，能同時處理大量原子的模擬運算。此外，創進一號提供x86與ARM等不同運算架構選擇，可根據計算需求靈活調整，大幅提升研究效率。這對於需要大量計算資源的五元系統研究，以及建立SNAP機器學習力場位能模型特別重要。

郭錦龍提到，該團隊接下來除了深入研究FCC與BCC系統的強化機制(圖3和圖4)，更計畫開發可靠的材料性質預測模型。目前研究的成果發現合金中不必然需要等比例配置才能獲得最佳的性能，這將為材料設計開啟新的可能性。透過建立完整的結構-性質關聯理解，期望能降低新材料開發的試誤成本。研究成果將有助於臺灣在半導體、綠能及國防等關鍵產業的發展，提升產業競爭力。目前研究雖仍面臨如長時間計算時的系統穩定性等技術挑戰，但隨著運算環境持續優化，他相信有機會克服，為台灣的材料科技研發帶來新貢獻。

圖1. 運用SNAP的蒙地卡羅模擬觀察高熵合金NbTaMoW中的局域結構，Ta-Mo傾向聚集，而Nb-Ta和Mo-W傾向分散。