Universität Stuttgart

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Subject: search.filters.subject.530Start date: 2013End date: 2019Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Theoretische und Angewandte Physik (aufgelöst)

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    Phasonendynamik in dekagonalen Quasikristallen
    (2014) Lipp, Hansjörg; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)
    Quasikristalle weisen mehr an Freiheitsgraden auf als die üblichen phononischen: Es gibt sogenannte phasonische Flips, atomare Sprünge zwischen nahe beieinanderliegenden Minima in der komplexen Energielandschaft dieser Festkörper. Sowohl diese anharmonischen Potentiale als auch die Existenz des phasonischen Freiheitsgrads haben großen Einfluss auf die thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften der Quasikristalle. Hierzu gibt es experimentelle Befunde von K. Edagawa et al., die in der vorliegenden Arbeit theoretisch untersucht werden. Einerseits wurde eine über Dulong-Petit hinausgehende Wärmekapazität festgestellt, als deren Ursache der zusätzliche Freiheitsgrad vermutet wurde. Diese Arbeit untersucht eindimensionale Modellsysteme, die Teilchenflips zulassen und in denen Teilchen gemäß einem anharmonischen Doppelmuldenpotential wechselwirken. Dazu werden Molekulardynamiksimulationen durchgeführt und analytische Rechnungen angestellt. Dabei stellt sich heraus, dass die thermodynamischen Eigenschaften dieses Systems hauptsächlich vom Wechselwirkungspotential bestimmt werden. Die Wärmekapazität lässt sich daher analytisch berechnen und weist allein aufgrund der Anharmonizität einen erhöhten Wert auf. Der größere zweite Teil der Arbeit behandelt von Edagawas Gruppe durchgeführte elektronenmikroskopische Aufnahmen von dekagonalem Al-Cu-Co. Hier beobachtete Edagawa helle Flecken, die an den Vertices eines Tilings lagen und sich im Laufe der Zeit ähnlich einem Phasonenflip änderten: Sie erschienen und verschwanden auf erratische Weise. Bemerkenswert war hierbei die Zeitskala: Die Intensitätsschwankungen der Flecken erfolgen im Sekunden- und Minutenregime, während man aus Neutronenbeugungsexperimenten weiß, dass atomare phasonische Flips in diesen Systemen im Pikosekundenbereich vorkommen. Dekagonales Al-Cu-Co besteht aus periodisch angeordneten Doppelschichten. Jede Doppelschicht kann entsprechend einem Strukturmodell von Zeger et al. als Tiling von Rauten betrachtet werden, die mit Atomen dekoriert sind. In übereinander liegenden Rauten können die Atome zwischen verschiedenen Flippositionen springen. Dementsprechend werden statistische Modelle übereinander liegender Rauten erstellt, die verschiedene diskrete Zustände annehmen können. Diese Rauten können ihren Zustand entsprechend umgebungsabhängiger Sprungraten in einem Zufallsprozess ändern, wodurch die Schichten gekoppelt sind. Definiert man nun die mesoskopische Sichtbarkeit eines hellen Flecks über gemeinsame Zustände mehrerer übereinander liegender Rauten, so kann man die Sprungraten und Sichtbarkeitswahrscheinlichkeiten der Flecken untersuchen. Dies erfolgt in der vorliegenden Arbeit analytisch und mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen. Dabei zeigt sich, dass sich im System übereinander liegende Rauten gleichen Zustands, sogenannte Cluster, bilden, welche die Sichtbarkeit der Flecken bestimmen. Diese Cluster werden in der Zeitentwicklung gebildet, zerstört oder verschoben. Die Verteilung der Clustergrößen weist einen stabilen Gleichgewichtszustand auf, der von der Kopplungsstärke der Rauten abhängt. Die Anzahl der Cluster fluktuiert um den Gleichgewichtswert. Die Abweichungen können über einen neuartigen Zufallsprozess, den "harmonischen Random Walk" beschrieben werden, bei dem die Sprungwahrscheinlichkeit proportional zur Entfernung vom Gleichgewicht ist. Dieser Zufallsprozess stabilisiert den Gleichgewichtszustand und wird zum besseren Verständnis des Systems analytisch und numerisch behandelt. Er erlaubt es, Sprungraten und Sichtbarkeitswahrscheinlichkeiten der Flecken in Simulation und analytischer Rechnung zu bestimmen. Daraufhin werden von K. Edagawa zur Verfügung gestellte Beobachtungsdaten eines HRTEM-Experiments analysiert. Sprungraten und Sichtbarkeitswahrscheinlichkeiten werden extrahiert und mit den theoretischen Ergebnissen verschiedener Modelle verglichen. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung des Experiments mit einem aus Doppelschichten aufgebauten System, in dem sich Ringe aus zehn Atomen durch kollektive Flips verschieben können. Die langsame Flipdynamik der Flecken lässt sich also statistisch dadurch erklären, dass sich Atome in vielen Schichten kollektiv bewegen müssen.
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    Validation of the software package IMD for molecular dynamics simulations of laser induced ablation for micro propulsion
    (2013) Förster, Daniel J.
    Das Konzept für einen Mikroantrieb auf Basis von Laserablation (MICROLAS) des Instituts für Technische Physik (ITP) des DLR Stuttgart stellt eine mögliche Alternative zu bestehenden Konzepten im nN - μN-Bereich dar. Es basiert auf Laserablation, also dem Materialabtrag bei Bestrahlung eines Targets mit einem gepulsten Laser. Die Möglichkeit zur genauen Regelung der eingetragenen Energie durch den Laser sowie dessen Repetitionsrate sollte zu regelbarem Materialabtrag führen, der in einem weiten Bereich von genau einstellbaren Impulsbits resultieren kann. Die Genauigkeit, technische Machbarkeit sowie Reproduzierbarkeit wird und wurde in einer Reihe von Studien am ITP geprüft. In der vorliegenden Arbeit wird das Programm IMD des Instituts für Theoretische und Angewandte Physik (ITAP) der Universität Stuttgart zur Simulation des Materialabtrages diskutiert. Durch Skripte werden aus den Daten des Programms wichtige Parameter extrahiert und für ein weiteres Programm bereitgestellt, das die zeitliche Entwicklung des Ablationsjets simulieren soll (PICLas Code). Die Ergebnisse der durchgeführten Simulationen werden mit solchen eines hydro-dynamischen Simulationsprogramms (VLL) sowie mit experimentellen Daten verglichen.
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    Numerical simulations of metal-oxides
    (2015) Chatzopoulos, Andreas; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)
    Oxides like silicates, alumina or periclase, are materials with significant properties and are therefore investigated extensively in experiment and in theory. The aim of this PhD thesis was to propose and further to develop methods, which make molecular dynamic simulations of oxides with large particle numbers and for long simulation times possible. The work consists of three parts. In the first one the already existing methods for simulating oxides will be discussed, while in the second one their methodological progress will be presented. The third chapter is solely reserved for the phenomenon of flexoelectricity, which has been discovered during the visualization of the crack propagation in alumina.
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    ItemOpen Access
    Effective potentials for numerical investigations of complex intermetallic phases
    (2013) Schopf, Daniel; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)
    The class of Complex Metallic Alloys (CMAs) is interesting for its wide range of physical properties. There are materials that exhibit high hardness at low density or good corrosion resistance, which is important for technological applications. Other compounds are superconductors, have strong anisotropic transport coefficients or exhibit a novel magnetic memory effect. The theoretical investigation of CMAs is often very challenging because of their inherent complexity and large unit cells with up to several thousand atoms. Molecular dynamics simulations with classical interaction potentials are well suited for this task – they can handle hundreds of thousands of atoms in reasonable time. Such simulations can provide insight into static and dynamic processes at finite temperatures on an atomistic level. The accuracy of these simulations depends strongly on the quality of the employed interaction potentials. To generate physically relevant potentials the force-matching method can be applied. A computer code called potfit has been developed at the Institute for Theoretical and Applied Physics (ITAP) especially for this task. It uses a large database of quantum-mechanically calculated reference data, forces on individual atoms and cohesive energies, to generate effective potentials. The parameters of the potential are optimized in such a way that the reference data are reproduced as accurately as possible. The potfit program has been greatly enhanced as part of this thesis. The optimization of analytic potentials, new interaction models as well as a new optimization algorithm were implemented. Potentials for two different complex metallic alloy systems have been generated and used to study their properties with molecular dynamics simulations. The first system is an approximant to the decagonal Al-Pd-Mn quasicrystal. A potential which can reproduce the cohesive energy with high accuracy was generated. With the help of this potential a refinement of the experimentally poorly determined structure model could be performed. The second class of potentials was fitted for intermetallic clathrate systems. They have interesting thermoelectric properties which originate from their special structure. Silicon- and germanium-based clathrate potentials were derived and the influence of the complex structure on the thermal conductivity has been studied.