Erforschung des Ursprung des Versagen der Stokes-Einstein-Beziehung in metalloiden glasformenden Systemen über dem Schmelzpunkt

• Antragsteller: Dr. Shuai Wei
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422219280

Ziel der vorgeschlagenen Forschung ist es, Einblicke in das Verhalten metalloider, glasformender Systeme im unterkühlten und im flüssigen Gleichgewichtszustand zu erhalten, und den Ursprung des Versagen der Stokes-Einstein-Beziehung (SER) oberhalb der Schmelztemperatur Tm zu verstehen. Des Weiteren werden wir mögliche liquid-liquid-transitions (LLTs) in diesen Systemen erforschen und ein tieferes Verständnis vom Zusammenhang zwischen dem Verhalten in der flüssigen Phase (wahrscheinlich unter Einbezug von LLTs), der Kristallisationskinetik und dem Glasübergang erreichen.Um Selbstdiffusions-Koeffizienten und α-Relaxationszeiten in Abhängigkeit der Temperatur zu bestimmen, schlagen wir quasi-elastic neutron scattering (QENS)-Experimente an metalloiden glasformenden Systemen in der Schmelze vor. Die zu untersuchenden Systeme umfassen sowohl technologisch relevante Phasenwechselmaterialien (PCMs) (e.g. GeTe, Ge2Sb2Te5, Sb2Te3), als auch metalloide non-PCMs (e.g. GeSe, As2Te3). Durch Messungen der Diffusivität und der α-Relaxationszeiten kann die Gültigkeit der SER oberhalb des Schmelzpunktes Tm experimentell untersucht werden. Anhand dieser Ergebnisse wird es uns möglich sein, den Gültigkeitsbereich der SER in PCMs und non-PCMs zu bestimmen und Einblicke in die Dynamik der Schmelze auf verschiedenen mikroskopischen Längenskalen zu erhalten. Um die experimentellen Daten von Systemen zu beschreiben, werden die Parameter zur Definition eines modifizierten ‚fractional‘ SER Modells bestimmt. Ein anormales Versagen der SER nahe Tm würde die Hypothese eines, durch Kristallisation nicht beobachtbaren, LLTs unterhalb von Tm in PCMs unterstützen. Basierend auf unseren Beobachtungen möchten wir einen quantitativen Zusammenhang zwischen dem Versagen der SER und den auftretenden LLTs entwickeln. Die Existenz eines LLT unterhalb von Tm könnte eine wichtige Rolle für das ultraschnelle induzieren eines Phasenwechsels in nichtflüchtige Speicheranwendungen spielen.Die Untersuchungen werden auf den, durch schnelle Kristallisation überschatteten, Bereich der unterkühlten Flüssigkeit unterhalb von Tm ausgeweitet. Da die Dynamik von Relaxationsprozessen in der unterkühlten Flüssigkeit eng mit der Kristallisationskinetik verknüpft ist, werden Kristallwachstumsgeschwindigkeiten von Materialien, deren QENS Daten ein Versagen der SER zeigen, mittels zeitaufgelöster pump-and-probe Laser-Reflektivitäts-Messungen bestimmt. Das Auftreten einer LLT unterhalb von Tm (e.g. impliziert durch Anomalien der Diffusivität oder der Viskosität) sollte sich in der Temperaturabhängigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit widerspiegeln, welche sich mit dem vorgeschlagenen Experiment bestimmen lässt. Diese Ergebnisse können helfen, den Nachweis von LLTs (und fragile-strong transitions) in metalloiden Systemen zu erbringen, ermöglichen es, eine Signatur von LLTs in der Kristallisationskinetik zu identifizieren, und bieten das Verständnis in den Mechanismus, der zum Versagen der SER führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. C. Austen Angell; Professor Dr. Pierre Lucas