Atomistic simulations for material processes within multiscale method [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Chol-Jun Yu

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
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Extrait

Atomistic Simulations for Material Processes
Within Multiscale Method
Von der Fakult at fur Georessourcen und Materialtechnik
der Rheinisch-Westf alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Master of Science (Physik)
Chol-Jun Yu
aus Kangwon
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heike Emmerich
PD Dr. Sibylle Gemming
Tag der mundlic hen Prufung: 13. Mai 2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbarto my motherland, my wife and my son.Contents
Abstract 1
Kurzfassung 3
Introduction 7
1 An e cien t virtual crystal approximation approach for bulk
solid solutions and alloys 13
1.1 Computational formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.1 Main formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.2 Transformation of pseudopotential . . . . . . . . . . . 20
1.2 Application to BSPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.1 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2 Electronic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3 Physical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3 Summary and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Surface simulations by rst-principles and kinetic Monte Carlo
method 37
i2.1 Energetics of stepped and kinked vicinal Si(001) surfaces from
ab initio calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.1 Methodology and computational details . . . . . . . . . 43
2.1.2 Flat Si(001) surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.3 Vicinal surfaces with straight steps . . . . . . . . . . . 50
2.1.4 Vicinal surfaces with kinked steps . . . . . . . . . . . . 55
2.1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2 Ab initio modeling of glass corrosion: hydroxylation and chemisorp-
tion of oxalic acid at diopside and akermanite surfaces . . . . . 62
2.2.1 Methodology and computational details . . . . . . . . . 66
2.2.2 Structure of bulk crystal and surface . . . . . . . . . . 69
2.2.3 Hydroxylation of surface and chemisorption of oxalic
acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3 Kinetic Monte Carlo simulation of adsorption processes on
glass surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3.1 Modeling of kinetic processes at the glass/solution in-
terface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3.2 Computational details of Monte Carlo simulation . . . 98
2.3.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3 Phase eld parameters of Al and Ni from molecular dynamics
simulations 105
3.1 Theoretical background and computational procedures . . . . 110
3.2 Melting temperature of solid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117iii
3.3 Structure of liquid phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4 Di usion coe cien t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5 Kinetic coe cien t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.6 Interfacial free energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Summary and Discussion 133
Acknowledgements 137
Bibliography 139
List of Publications from the PhD Work 163
Curriculum Vitae 165Abstract
Atomistic simulation technique such as rst-principles, molecular dynam-
ics and Monte Carlo methods has been recognised as a powerful engineering
tool to design a new functional material. It serves as the most fundamental
procedure to construct a reliable and integral multiscale simulation frame-
work, as well as gives the mechanisms behind the characteristic property
and process at atomic scale. In this work some attempts to realize a kind
of multiscale simulation have been carried out, paying attention to the nec-
essary information availabe from smaller scale simulations for larger scale
simulations. Firstly, an e cien t rst-principles approach with virtual crys-
tal approximation has been proposed for calculating the material properties
of solid solutions within density functional theory. The capability of the
previous approaches was extended to treat a virtual atom composed of the
heterovalent atoms with reasonable accuracy. The results for the perovskite
structure ferroelectric solid solution, xBiScO {(1-x)PbTiO , which contains3 3
the heterovalent atoms, have been compared with the previous computations.
The obtained results indicate that the approach proposed in this work can
give the reasonable values for the electronic, atomic vibrational, mechanical
and piezoelectric properties. Secondly, a way to connect the rst-principles
12 Abstract
simulation to the Monte Carlo simulation has been presented, applying to
surface phenomena. In this attempt the fundamental energetics was calcu-
lated with detailed atomic morphology of the surface structure by means of
the rst-principles simulations, which are utilised in larger scale Monte Carlo
simulation to simulate larger scopic morphology and fast kinetic process.
This approach was applied to the epitaxial growth phenomena using vicinal
Si(001) surface and the glass corrosion phenomena using multicomponent sil-
icate mineral surfaces, diopside (CaMgSi O ) andakermanite (Ca MgSi O ).2 6 2 2 7
The kink energy according to the kink angle to the straight step as well as
step energies of the stepped and kinked vicinal Si(001) surfaces have been
studied showing the almost linear behavior of kink energy to the kink angle.
The surface energy, hydroxylation energy of the surface, the adsorption en-
ergy of oxalic acid molecule on the hydroxylated silicate surfaces have been
computed, presenting the fact that the under-coordinated Si atoms are the
main active sites for the hydroxylation while the oxalate ions are adsorbed on
Ca and Mg atoms. Thirdly, molecular dynamics simulations have been per-
formed to calculate the material parameters for continuum scale phase eld
simulations. The rst-principles simulation results are utilised to construct
the interatomic potential in the embedded atom method, and the results of
molecular dynamics simulations are served as the phase eld parameters. To
clearly determine the interface atoms in the calculation of interfacial free
energy, a slightly di eren t approach has been proposed. The applications to
Al and Ni crystal growth have been presented, giving the melting temper-
ature, di usion constants, kinetic coe cien ts and interfacial free energy of
solid-liquid interface with crystallographic anisotropy.Kurzfassung
Techniken atomistischer Simulationen, wie First Principles, Molecular
Dynamics oder Monte Carlo Methoden, sind als starke ingenieurwissenschaftl-
iche Werkzeuge fur das Design neuer funktionaler Materialien anerkannt. Sie
dienen als grundlegendste Art um ein verl assliches und integriertes Bezugssys-
tem fur Multiskalensimulationen zu konstruieren, und geben darub er hinaus
Auskunft ub er die Mechanismen, die hinter den charakteristischen Eigen-
schaften und Prozessen auf der atomistischen Skala stehen. In dieser Arbeit
sind einige Ans atze durchgefuhrt worden, um eine Art Multiskalensimula-
tion auszufuhren, mit besonderer Beachtung der verfugbaren Informationen
von Simulationen auf kleineren Skalen fur solche auf gr o eren Skalen. Als
erstes ist ein e zien ter \First principles"-Ansatz mit virtuellen Kristallap-
proximationsmethoden erstellt worden um die Materialeigenschaften von fes-
ten L osungen mit Hilfe der Dichte-Funktional-Theorie zu berechnen. Die
F ahigkeiten der vorhergehenden Ans atze wurden erweitert, indem virtuelle
Atomzusammensetzungen von heterovalenten Atomen mit der ben otigten
Pr azision behandelt worden sind. Die Ergebnisse fur ferroelektrische feste
L osungen fur heterovalentes Perowskit, xBiScO {(1-x)PbTiO , sind mit fruh-3 3
eren Berechnungen verglichen worden. Die gewonnenen Resultate weisen
34 Kurzfassung
darauf hin, dass der in dieser Arbeit aufgestellte Ansatz sinnvolle Werte
fur die elektronischen, mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften
sowie das atomistische Vibrationspotential liefern kann. Weiterhin wird eine
M oglichkeit pr asentiert, die First-Principles-Simulation mit der Monte Carlo-
Simulation fur Ober achenph anomene zu verknupfen. Dafur ist die fun-
damentale Energetik mit Hilfe der detaillierten atomistischen Morphologie
der Ober achenstruktur durch First-Principles-Simualtionen berechnet wor-
den, welche in Monte Carlo-Simulationen genutzt wird um eine gro sk alige
Morphologie und schnelle kinetische Prozesse zu simulieren. Diese Vorge-
hensweise ist auf epitaxische Wachstumsprozesse auf einer vicinalen Si(001)-
Ober ache sowie auf Glaskorrosionsph anomene mit multikomponentigen Silikat-
Mineral Diopsiden (CaMgSi O ) und Akermanit (Ca MgSi O ) angewen-2 6 2 2 7
det worden. Die Knickstellenenergie abh angig vom Knickwinkel der ger-
aden Stufe sowie die Stufenenergien der gestuften und geknickten vicinalen
Si(001)-Ober ache sind untersucht worden um das nahezu lineare Verhalten
der Knickstellenenergie zum Knickwinkel zu zeigen. Die