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Molecular Dynamics Simulations of Metallic Nanoglasses

Sopu, Daniel :
Molecular Dynamics Simulations of Metallic Nanoglasses.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Molecular Dynamics Simulations of Metallic Nanoglasses
Language: English
Abstract:

The prospect of realizing new bulk metallic glasses with improved properties has driven a large amount of research since the early work of Duwez [1]. In analogy to nanocrystalline solids, a new type of metallic glasses may by synthesized by consolidating glassy powder. This so-called nanoglass consists of glassy grains separated by interfaces [2]. So far, the existence of nanoglasses was only indirectly proven by experiments [2, 3, 4, 5]. This dissertation presents molecular dynamics simulations of nanoglasses and provides detailed insights into the structure and properties of this class of material. In the first part, an investigation of the structure and stability of a planar glass-glass interface is conducted by analyzing the local topology, alloy composition and density in comparison to the bulk structure. An analogy between an internal interface and a shear band is established. The stability of the glass-glass interfaces under thermal treatment and hydrostatic pressure is also analyzed. The second part is dedicated to the deformation behavior of metallic nanoglasses. Here, mechanical properties of a Cu64Zr36-nanoglass are characterized under tensile load and compared to the deformation behavior of a homogeneous bulk glass. For this study, dense and porous nanoglasses are used and the influence of grain size and porosity on the plastic behavior of nanoglasses is investigated. In addition, it is studied how thermal treatment and prior-deformation change the plastic response of the metallic nanoglass. In the third part, the phonon density of states (PDOS) of nanoglasses is studied in comparison to other nanostructures (nanoparticles, nanocrystals and embedded nanoparticles). In this case, germanium is used as representative reference material. By comparing with the PDOS of single crystalline and amorphous structures, the physical origins of additional or vanishing vibrational modes or frequency shift are identified. A general view on the interplay of nanostructural features and lattice vibrations is provided. In the last part, an investigation of the crystalline to amorphous transition of thin iron films embedded in AlFe glass is conducted. For the first time theoretical evidence is provided for the existence of a single-component metallic glass. The calculated PDOS reinforce the aforementioned statements. In addition, the investigation of finite size effects in PDOS is extended for the case of Fe thin films.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Aussicht neue metallische Gläser mit verbesserten Eigenschaften herzustellen, hat seit der frühen Arbeit von Duwez [1] zu einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten auf diesem Gebiet geführt. In Analogie zu nanokristallinen Festkörpern kann die Symthese eines neuen Typs metallischer Gläser durch Kompaktierung von Glaspulver erfolgen. Dieses sogenannte Nanoglas besteht aus Glaskörnern, die durch Grenzflächen voneinander getrennt sind [2]. Bisher wurde die Existenz von Nanogläsern durch Experimente nur indirekt bewiesen [2,3,4,5]. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit molekulardynamischen Simulationen von Nanogläsern und bietet Einblicke in die Struktur und Eigenschaften dieser neuen Materialklasse. Im ersten Teil wird eine Untersuchung der Struktur und Stabilität von planaren Glas-Glas Grenzflächen mit Hinblick auf lokale Topologie, Legierungszusammensetzung und Dichte im Vergleich zu Volumenproben durchgeführt. Dabei wird eine Analogie zwischen inneren Grenzflächen und einem Scherband hergestellt. Die Stabilität von Glas-Glas Grenzflächen unter Wärmebehandlung und hydrostatischem Druck wird ebenfalls analysiert. Der zweite Teil widmet sich dem Verformungsverhalten von metallischen Nanogläsern. Hier werden die mechanischen Eigenschaften eines Cu64Zr36-Nanoglases unter Zugbelastung charakterisiert und mit denen eines homogenen Volumenglases verglichen. Für diese Arbeit werden dichte und poröse Nanogläser verwendet und der Einfluss von Korngröße und Porosität auf das plastische Verformungsverhalten von Nanogläsern wird untersucht. Zusätzliche wird geprüft, wie sich Wärmebehandlung und Vorverformung auf die plastischen Eigenschaften von metallischen Nanogläsern auswirken. Im dritten Teil wird die Phonenenzustandsdichte (PDOS) von Nanogläsern mit der von anderen Nanostrukturen (Nanopartikeln, Nanokristallen und eingebetteten Nanopartikeln) verglichen. In diesem Fall wird Germanium als repräsentatives Referenzmaterial verwendet. Durch den Vergleich mit der Phononenzustandsdichte von einkristallinen und amorphen Strukturen kann der physikalische Ursprung von zusätzlichen oder verschwindenden Moden bzw. Frequenzverschiebungen identifiziert werden. Ein generalisiertes Verständnis des Zwischenspiels von Nanostrukturierung und Gitterschwingungen wird gegeben. Im letzen Teil wird eine Untersuchung des kristallin-amorphen Übergangs von dünnen Eisenfilmen in AlFe Glas durchgeführt. Hier wird zum ersten Mal theoretischer Beweis erbracht, dass ein einkomponentiges metallisches Glas existiert. Die errechnete PDOS bestätigt diese Annahme. Zusätzlich wird die Untersuchung von Effekten der endlichen Ausdehnung auf die PDOS auf den Fall von dünnen Eisenfilmen ausgeweitet.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften
Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Materialmodellierung
Date Deposited: 19 Dec 2011 09:26
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28453
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Karsten, Prof. Dr. Albe and Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed: 25 November 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2845
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