Atomistic simulation of plastic properties of amorphous metal oxides

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202206282966
Title: Atomistic simulation of plastic properties of amorphous metal oxides
Alternative title: Amorfisten metallioksidien plastisten ominaisuuksien simulointi
Author: De Meulder
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Science
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202206282966
http://hdl.handle.net/10138/345532
Thesis level: master's thesis
Degree program: Materiaalitutkimuksen maisteriohjelma (Materials Research)
Master 's Programme in Materials Research
Magisterprogrammet i materialforskning
Specialisation: Laskennallinen materiaalifysiikka
Computational Materials Physics
Beräkningsmaterialfysik
Abstract: Amorfisissa metallioksideissa on havaittu mikroskooppisessa mittakaavassa plastisia ominaisuuksia. Tässä työssä amorfisten metallioksidien plastista deformaatiota ja elastisia ominaisuuksia tutkittiin mikroskooppisessa mittakaavassa molekyylidynamiikkasimulaatioilla. Amorfiset aineet eroavat kiderakenteen omaavista aineista siten, ettei niillä ole suurilla etäisyyksillä säännöllistä rakennetta. Tässä työssä simuloitu amorfinen materiaali luotiin sulattamalla kiteinen materiaali nesteeksi ja jäähdyttämällä se nopeasti kiinteäksi. Jäähdytysnopeuden vaikutusta tutkit tiin alumiinioksidilla (Al2O3) luomalla noin 100 000 atomin simulaatiokoppi ja jäähdyttämällä se nestemäisestä faasista kiinteäksi jäähdytysnopeuksilla 1011 , 1012 ja 1013 K/s. Simulaatioista huomattiin, että jäähdytyksen aikana tapahtuvan lasitransition lämpötila riippuu jäädytysnopeud esta. Suuremmilla jäähdytysnopeuksilla lasitransitiolämpötila (Tg) on korkeampi. Alumiiniok sidi jäähdytettiin 300:aan sekä 50:een kelviniin, jonka jälkeen niille suoritettiin venytyssimulaa tio. Deformaatio-jännitys -kuvaajasta nähtiin, että suuremmalla lasitransitiolämpötilalla plasti nen aluea saavutettiin pienemmällä jännityksellä. Matalammassa lämpötilassa (50 K) jännitetyillä systeemeillä oli korkeampi vetolujuus kuin korkeammassa lämpötilassa jännitetyillä systeemeillä (300 K) vahvistaen siten Frankbergin hypoteesin plastisen virtauksen aktivoimisesta mekaanisella työllä. Plastisten ilmiöiden yleisyyttä tutkittiin myös galliumoksidilla (Ga2O3) samoilla prosesseilla kuin alumiinoksidilla. Sopivien potentiaaliparametrien puutteen vuoksi materiaalille sovitettiin parametrit sen kiderakennetta ja elastisia ominaisuuksia hyväksikäyttäen GULP-ohjelmalla. So vitetuilla potentiaaliparametreilla lasketut galliumoksidin elastiset vakiot vastaavat hyvin kirjallisu usarvoja. Amorfinen Ga2O3 käyttäytyi vastaavasti kuin samalla nopeudella jäähdytetty amorfinen Al2O3. Lupaavista galliumoksidin potentiaaliparametreistä huolimatta jatkotutkimuksia tarvitaan parametrien validoimiseen. Parametrejä tulisi myös vielä kehittää ottamalla huomioon myös amor fisen Ga2O3 rakenteita ja elastisia ominaisuuksia sekä tutkimalla amofisen galliumoksidin elastisia ominaisuuksia kokeellisesti.Amorphous metal oxides have proven to deform in a plastic manner at microscopic scale. In this study the plastic deformation and elastic properties of amorphous metal oxides are studied at microscopic scale using classical molecular dynamics simulations. Amorphous solids differ from crystalline solids by not having a regular lattice nor long range order. In this study the amorphous materials were created in simulations by melt-quenching. The glass transition temperature (Tg) depends on the material and cooling rate. The effect of cooling rate was studied with aluminiumoxide (Al2O3) by creating a simulation cell of 115 200 atoms and melt-quenching it with cooling rates of 1011 , 1012 and 1013 K/s. It was observed that faster cooling rates yield higher Tg. The Al2O3 was cooled to 300 K and 50 K after which the material was stretched. The stress-strain curve of the material showed that samples with higher Tg deforms in plastic manner with smaller stresses. The system stretched at 50 K had higher ultimate tensile strength than the system stretched at 300 K and thus confirming the hypothesis proposed by Frankberg about activating plastic flow with work. In order to see if the plastic phenomena can be generalized to other amorphous metal oxides the tensile simulation was performed also with a-Ga2O3 by creating a simulation cell of 105 000 atoms, melt-quenching it and then stretching. Due to the lack of parameters for Buckingham potential these parameters were fitted with GULP using the elastic properties and crystalline structure of Ga2O3. The elastic properties of Ga2O3 with the fitted potential parameters agreed very well with the literature values. The elongated a-Ga2O3 behaved in a very similar fashion compared to a-Al2O3 cooled with the same cooling rate. Further work is needed to establish the Buckingham potential parameters of a-Ga2O3 by experimen tal work. The potential can also be developed further by using the elastic constants and structures of amorphous a-Ga2O3 in the fitting process, although the potential shows already very promising results.
Subject: amorphous
glass transition
Ga2O3
Al2O3
plastic flow


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
De_Meulder_Mikael_maisterintutkielma_2022.pdf 4.360Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record