Modellierung der Nahordnung von amorphen Systemen mit Computersimulationen

Abstract

Mit Hilfe der Computersimulationsmethoden Monte Carlo (MC) und Reverse Monte Carlo (MC) wurden verschiedene amorphe Systeme untersucht. Als Basis dienten die durch Neutronenbeugungs- (fluides CF4, fluides Ethan) bzw. Röntgenbeugungsmessungen (geschmolzenes ZnCl2) ermittelten Gesamtverteilungsfunktionen bei verschiedenen Temperaturen bzw. Dichten. Ziel der Simulationen war die Bestimmung der intermolekularen Struktur sowie die Ermittlung intermolekularer Paarpotentiale. Für fluides CF4 gelang die Reproduktion des Experiments in MC Simulationen mit einem einfachen Fünf-Zentren-Lennard-Jones-Potential. Die Ergebnisse stimmen gut mit denen der RMC Simulationen überein und zeigen, daß die Moleküle statistisch verteilt sind und keine bevorzugten Molekülorientierungen existieren. Fluides Ethan konnte in MC Simulationen mit einem empirisch ermittelten modifizierten Acht-Zentren-Lennard-Jones-Potentials modelliert werden. Die Moleküle sind hier ebenfalls statistisch verteilt. Die Berechnung winkelabhängiger Korrelationsfunktion für vier spezielle Orientierungen zweier direkt benachbarter Ethan-Moleküle (gekreuzt, T-förmig, parallel nebeneinander und parallel hintereinander) ergab keinen Hinweis auf eine bevorzugte Orientierung. Diese Ergebnisse wurden in den RMC Simulationen bestätigt. Für geschmolzenes ZnCl2 wurde ein effektives Paarpotential entwickelt, mit dem sowohl die Gesamtverteilungsfunktionen als auch der Prepeak im Strukturfaktor in MC Simlationen gut reproduziert wurde. Das Potential simuliert die durch Polarisationseffekte verursachte Schwächung der Zn-Zn-Wechselwirkung durch Dämpfung der Coulomb-Abstoßung und erzeugt durch eine Oszillation im Zn-Zn-Paarpotential Dichtefluktuationen in der Zn-Substruktur, die für den Prepeak verantwortlich sind. Die Schmelze bildet ein dreidimensionales Netzwerk aus eckenverknüpften ZnCl4-Tetraedern hoher Regularität. Die RMC Methode erreicht dagegen hier nicht die Genauigkeit der MC Methode.

Three different amorphous systems have been modelled with the computer simulation methods Monte Carlo (MC) and Reverse Monte Carlo (RMC) in order to determine the intermolecular structure and intermolecular pair potentials. The simulations are based on the total atom pair correlation functions, that have been determined by X-ray (fluid CF4, fluid ethane) and neutron diffraction (molten ZnCl2) experiments at different temperatures and densities. The experimental functions of fluid CF4 have been reproduced in MC simulations with a simple five-center-Lennard-Jones potential. The molecules are statistically distributed and no preferred intermolecular orientation is visible. In addition, the agreement with the RMC results is good. The MC simulations on fluid ethane were performed with an empirically determined modified eight-center-Lennard-Jones-potential. The molecules are also statistically distributed. Furthermore, the angle dependend correlation functions for four special orientations between two neighboured molecules (crossed, T-shaped, parallel adjacent and parallel end-to-end) show, that no preferred orientation exists. The RMC simulations confirm these results. For the MC simulations of molten ZnCl2 a special pair potential was developed, that simulates the polarisation effects with a damped Coulomb function in combination with an oscillating function for the Zn-Zn-interaction. This potential generates density fluctuations in the Zn substructure, that give rise to the prepeak. The melt consists of ZnCl4-tetrahedra of high regularity, that are connected together via Cl-bridges and form a threedimensional network. For this system, the MC method has turned to be more reliable than the RMC method.