Ab-initio statistical mechanics for ordering and segregation at the (110) surface of Ni90%-Al

Abstract

Synchrotron scattering experiments find an ordered NiAl monolayer on top of the (110) surface of a disordered Ni90%-Al bulk material. A first-principles based theoretical understanding of surface segregation and ordering at the (110) surface of Ni90%-Al is the central aim of the work. In the first half of the thesis the concept of "Ab-initio Statistical Mechanics" is introduced and extended to surfaces. In order to map the interactions between atoms on effective cluster expansion coefficients, the potential expansion method is developed. Thereby the cluster expansion method is generalized to confined geometries. In the second half of the work numerous ab-initio calculations for various NiAl surface configuratons are mapped with the help of the cluster expansion method. From the cluster expansion of the surface energetics a detailed understanding of the experimental results is obtained. Predictions for quantities not measured in the experiments (such as different bulk concentrations of NiAl) are made. Finite temperature calculations for the segregation behavior of Al are carried out with the cluster varation method.

Synchrotron-Streuexperimente finden eine geordnete NiAl-Monolage als erste Oberflächenlage der (110) Oberfläche eines ungeordneten Ni90%-Al Kristalls. Das parameterfreie theoretische Verständnis der Oberflächensegregation und Oberflächenordnung an der (110) Oberfläche von Ni90%-Al ist das zentrale Thema dieser Arbeit. In der ersten Hälfte der Dissertation wird die zur ab-initio Modellierung einer Metalloberfläche benötigte "Ab-initio Statistische Mechanik" vorgestellt und entwickelt. Zur Abbildung der Atomwechselwirkungen auf effektive Cluster-Entwicklungskoeffizienten wird die Potentialentwicklung eingeführt und so die Methode der Cluster-Entwicklung auf eingeschränkte Geometrien verallgemeinert. In der zweiten Hälfte dieser Arbeit wird eine Vielzahl von ab-initio Rechnungen zu Oberflächenkonfigurationen von NiAl mit Hilfe der Cluster-Entwicklung abgebildet. Es zeigt sich, dass der experimentelle Befund detalliert aus dieser Cluster-Entwicklung verstanden werden kann und darüber hinaus Vorhersagen zu anderen, experimentell nicht untersuchten Größen (z.B. andere Volumenkonzentrationen von NiAl) gemacht werden können.Weiterhin werden temperaturabhängige Rechnungen mit Hilfe der Cluster-Variations-Methode zum Segregationsverhalten von Al an der Oberfläche durchgeführt.