Experimental investigations on the extreme, pressure-induced stiffening of smart and phase change materials
Final Report Abstract
Das primäre Ziel des Antrages war es, ein besseres Verständnis zu erhalten, wie mechanischer Druck die Versteifung von Zink-Phosphaten und das Phasenverhalten von phase-change materials (PCMs) beeinflusst. Hierfür sollte jeweils eine Landau-Theorie zur Beschreibung der den Systemen innewohnenden Phasenübergänge entwickelt werden, die es dann u.a. ermöglichen sollte, die Zustandsgleichung der Systeme zu reproduzieren und damit ihre Versteifung mit dem externen Druck. Als Input in die Landau Theorie sollten vor allem experimentelle Daten dienen. Aufgrund personeller Änderungen in der frühen Phase des Projekts wurden die Experimente jedoch zu einem großen Teil durch Dichte-Funktional-Theorie (DFT) basierten in-silico Experimente ersetzt. Im Falle der PCMs, speziell fur die untersuchte Legierung Ge0.15Sb0.85 konnte die Zustangsgleichung mit Hilfe des Landau Ansatzes sehr gut reproduziert werden. Dabei erschien die Anzahl der tetra-edrisch koordinierten Germanium Atome als sinnvoller Ordnungsparameter. Sie wurde nämlich konsistent direkt aus DFT-Rechnungen und indirekt aus experimentellen Raman Spektren berechnet und ergab sich als proportional zu dem in der Theorie verwendeten Ordnungsparameter. Im Rahmen dieser Landau Theorie erscheint damit die durch den Druck getriebene Amorphisierung der betrachteten Legierung als eine Kondensation von Defekten. Für die ZPs gelang es nicht, eine Landau Theorie an die Daten anzupassen. Die Arbeitshypothese konnte in diesem Fall also nicht unterstützt werden. Nichtsdestotrotz konnten interessante Effekte beobachtet werden, die für die Praxis und das Design von ZPs als Anti-Verschleiß-Additiv durchaus relevant werden könnten. Bei zunehmenden Druck beginnen die Krafte auf diversen Endgruppen, insbesondere H und OH, stark zu fluktuieren. Dies bedeutet, dass diese Gruppen vermutlich auch in einem tribologischen Kontakt instabil werden und somit bei Vorhandensein eines Druckgradienten von den Molekülen entfernt werden. Die Konsequenz wäre ein starker vernetzter und somit auch steiferer ZnP-Film auf der Oberfläche. Diese Beobachtungen schlagen somit eine Brücke zwischen der Ansicht, dass ZnP-Filme sich auf tribologischen Oberflächen vor allem durch die hohen lokalen Drucke bilden und der Meinung, dass die Formation im Rahmen von Saure-Basen-Reaktionen erklärt wird. Für die Entwicklung neuer Anti-Abriebs-Additive konnten Rechnungen, wie die von uns durchgeführten, helfen, Moleküle darauf hin zu überprüfen, bei welchen Kontaktdrücken Filme mit einer gegebenen Steifigkeit entstehen. Schließlich wurde die Untersuchung des Zusammenspiels von lokaler Symmetrie und Phasenverhalten auf Schmelzen ausgeweitet, die massive metallische Glaser (MMGs) erzeugen. Im Zentrum des Interesses standen dabei zwei in der Literatur stark beachtete Phänomene: Ein sogenannter flüssig-flüssig Phasenübergang, an dem sich u.a., die Temperaturabhängigkeit dynamischer Größen verändert und die Beobachtung, dass Bindungslangen in MMG-bildenden Schmelzen mit wachsender Temperatur abnehmen. Unsere Simulationen reproduzierten alle relevanten experimentellen Observationen. Jedoch zeigte sich, dass der Übergang in der Schmelze mit zunehmender Teilchenzahl stärker ausschmiert, was ganz klar gegen die häufig verfochtene Interpretation des Übergangs als Phasenübergang spricht. Zudem konnte die Bondkontraktion als ein Artefakt der Analyse der radialen Verteilungsfunktion entlarvt werden.
Publications
- Landau theory for stress-induced order-disorder transitions in phase change materials, Phys. Rev. B 89, art.-no. 054101 (2014)
M. Thielen, R. A. Nistor, D. Shakhvorostov, G. Beltramo, M. Giesen und M. H. Müser
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.054101) - Constraints on phase stability, defect energies, and elastic constants of metals described by EAM-type potentials, J. Phys. Cond.-Matt. 28, 395701 (2016)
S. V. Sukhomlinov und M. H. Müser
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/39/395701) - Determination of accurate, mean bond lengths from radial distribution functions, J. Chem. Phys. 146, art.-no. 024506 (2017)
S. V. Sukhomlinov und M. H. Müser
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4973804) - Anomalous system-size dependence of properties at the fragile-to-strong transition in a bulk-metallicglass forming melt, Comput. Mater. Sci. 156, 129–134 (2018)
S. V. Sukhomlinov und M. H. Müser
(See online at https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.09.047)
