Multiscale-multiphysics modelling of metal surfaces

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2806-5
Title: Multiscale-multiphysics modelling of metal surfaces
Author: Veske, Mihkel
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-11
Belongs to series: Report Series in Physics - URN:ISSN:0356-0961
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2806-5
http://hdl.handle.net/10138/305275
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Vacuum breakdown is a process that limits the performance of many modern electronic devices like fusion reactors, vacuum interrupters, satellite systems and linear colliders. To optimize cost and performance of the Compact Linear Collider in CERN, an extensive study has been initiated to clarify the mechanisms that lead to vacuum arcing. Next to the experiments, computer simulations have found their place in obtaining valuable insight into the process. In addition to the financial advantages, simulations cover spatio-temporal resolution that is beyond capabilities of the modern experimental physics. For this reason, the numerical simulations based on well-motivated physical models are often the only tools which can provide interesting insight on an atomic scale. For practical use, these tools must meet requirements of well-balanced computational efficiency and desired accuracy. A promising way to achieve this is to combine continuous-space calculations with atomistic simulations. In the current PhD project, we develop a multiscale-multiphysics tool that combines molecular dynamics, finite element method and particle-in-cell techniques. With this tool we make a self-consistent connection between atomistic and continuum simulations that helps to combine different physics and optimize computational cost without significantly reducing the level of accuracy. We use various stages of the tool to simulate thermal and shape evolution of intensively electron emitting metal nanotips that are considered as a source of electrons and neutrals for plasma. More specifically, we study the shape memory effect and thermal runaway in Cu nanoprotrusions under a high electric field. The shape memory effect and spontaneous reorientation are the pair of mechanisms that may cause up to 34% fluctuation in aspect ratio of Cu nanotip under cyclic local electric field of 20 GV/m or higher. The study reveals that a high electric field increases the critical temperature of spontaneous reorientation, making thin Cu nanotips less prone to a collapse. By applying macroscopic electric field of 0.6 GV/m on h=93 nm Cu nanotip, we demonstrate a thermal runaway process. The growth of the tip starts after its apex melts and the resulting positive feedback loop leads to an intense evaporation of the tip. Such decay happens in cycles, so that intense evaporation alternates with the mild cooling periods. The comparison with previous works shows that in case of a sufficiently narrow tip, the evaporation is intense enough to ignite a plasma in vacuum.Tyhjiöläpilyönti on prosessi, joka rajoittaa lukuisten modernien sähkölaitteiden, kuten fuusioreaktorien, tyhjiökatkaisimien, satelliittien sekä hiukkaskiihdyttimien toimintaa. Laaja-alainen tutkimus on aloitettu selventämään tyhjiövalokaariin johtavia mekanismeja CERNin Compact Linear Collider -kiihdyttimen kulujen ja suorituskyvyn optimoimiseksi. Kokeiden lisäksi myös tietokonesimulaatiot ovat löytäneet paikkansa prosessin ymmärtämisessä. Taloudellisten hyötyjen lisäksi simulaatiot kattavat laajan aika- ja tilaskaalan, joka on modernin kokeellisen fysiikan ulottumattomissa. Tästä syystä vakiintuneisiin fysikaalisiin malleihin perustuvat numeeriset simulaatiot ovat usein ainoita työkaluja, jotka mahdollistavat kiinnostavia löytöjä atomiskaalassa. Käytännössä näiden työkalujen on täytettävä vaatimukset laskennallisen tehokkuuden sekä halutun tarkkuuden tasapainolle. Lupaava metodi tämän saavuttamiseksi on jatkumolaskennan sekä atomisimulaatioiden yhdistäminen. Tässä väitöstyössä me kehitämme moniskaalaisen ja -fysikaalisen työkalun, joka yhdistää molekyylidynaamiset simulaatiot, elementtimenetelmän ja hiukkanen solussa -tekniikoita. Tällä työkalulla me luomme ristiriidattoman yhteyden atomi- ja jatkumosimulaatioiden välille, mikä auttaa yhdistämään eri skaalojen ilmiöitä ja optimoimaan laskenta-aikaa vähentämättä olennaisesti laskentatarkkuutta. Käytämme työkalun lukuisia vaiheita simuloidaksemme voimakkaina elektroneja säteilevien, sekä plasmaan tarvittavien elektronien ja neutraalien lähteinä toimivien metallinanokärkien lämpötilan ja muodon kehitystä. Tarkemmin tutkimusaiheenamme on Cu-nanoulkonemien muodon muistivaikutus ja lämpötilan karkaaminen voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta. Muodon muistivaikutus ja spontaani uudelleenmuotoutuminen ovat mekanismeja, jotka voivat aiheuttaa jopa 34% heilahteluja Cu-nanokärjen sivusuhteessa syklisen, vähintään 20 GV/m sähkökentän alaisuudessa. Tutkimus paljastaa, että korkea sähkökenttä kasvattaa spontaaniin uudelleenmuotoutumiseen vaadittavaa sähkökenttää, vähentäen ohuiden Cu-nanokärkien romahtamisherkkyyttä. Kohdistamalla makroskooppinen 0.6 GV/m sähkökenttä h=93 nm Cu-nanokärkeen, me havainnollistamme lämpötilan karkaamisprosessia. Kärjen kasvaminen alkaa, kun sen huippu sulaa ja tästä seuraava positiivinen takaisinkytkentä johtaa kärjen intensiiviseen höyrystymiseen. Tällainen hajoaminen tapahtuu sykleissä, niin että intensiivisen höyrystymisen ja leudon viilentymisen jaksot vuorottelevat. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että riittävän ohuen kärjen tapauksessa höyrystyminen on tarpeeksi voimakasta sytyttääkseen plasman tyhjiössä.
Subject: Computational materials science
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Multisca.pdf 6.159Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record