Phase field crystal modeling of two-dimensional materials

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Petri Hirvonen

Organisaatiot

Kuvaus

Virheettömillä kaksiulotteisilla (2D) materiaaleilla esiintyy monia poikkeuksellisia ominaisuuksia, joita ei havaita tavallisilla materiaaleilla. Valmistusmenetelmät, jotka ovat skaalattavissa suuren mittakaavan tuotantoon, kuitenkin johtavat monikiteisiin mikrorakenteisiin, joissa on rakeita eri orientaatioissa ja viivamaisia raeraja-kidevirheitä niiden välissä. Raerajat saattavat heikentää näiden materiaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia. Kasvuprosessin ohjausta on parannettava, jotta kidevirheet voitaisiin välttää tai ainakin niiden jakaumaa hallita. Valitettavasti 2D-mikrorakentei-den muodostuminen tunnetaan huonosti, johtuen tässä vaikuttavien pituus- ja aikaskaalojen suurista vaihteluväleistä.Faasikenttäkidemallit (PFC) ovat tuore lähestymistapa kidevirheellisten materiaalien moniskaala-mallintamiseen. PFC on lupaava tutkittaessa monimutkaisia suuren mittakaavan mikrorakenteita ja niiden hidasta kehitystä pitkien diffuusiivisten aikaskaalojen yli. Tässä väitöskirjassa esitetyssä työssä laajensimme PFC-viitekehyksen oikeiden 2D-materiaalien kvantitatiiviseen mallintamiseen. Arvioimme ensin PFC:n soveltuvuuden 2D-materiaalien raerajojen ja näiden kolmoispisteiden mallintamiseen. Vertailtuamme tuloksiamme kokeellisten havaintojen ja atomipohjaisiin malleihin perustuvien laskelmien kanssa havaitsimme toden-mukaisia kidevirherakenteita ja muodostumis-energioita. Tutkimme lopulta erilaisten kiteisten ja kvasikiteisten mikrorakenteiden piirteitä ja karkenemista PFC:n avulla. Havaitsimme monet mikrorakenteiden ominaisuudet universaaleiksi ja riippumattomiksi taustalla olevan kiderakenteen symmetrioista. Tunnistettuamme todenmukaisia grafeenirakenteita tuottavan PFC-mallin, hyödynsimme sitä mallisysteemien tuottamisessa molekyylidynamiikkasimulaatioihin perustuvia lämmönsiirto-tutkimuksia varten. Nämä todenmukaiset ja hyvin relaksoidut systeemit mahdollistivat monta uutta tieteellistä löytöä. Osoitimme esimerkiksi, että raerajat grafeenissa sirottavat atomitason sisäisiä ja sitä vastaan kohtisuoria fononimoodeja hyvin eri tavoin. Toistimme nämä analyysit kuusikulmaisen boorinitridille ja havaitsimme kvalitatiivisesti samanlaista käyttäytymistä. Kehitimme myös erinäisiä laskennallisia menetelmiä tutkimuksemme helpottamiseksi. Nämä menetelmät liittyvät matalaenergisten kidevirhemuodostelmien löytämiseen, PFC-tiheyskenttien muuntamiseen erillisiksi atomikoordinaateiksi ja mikrorakenteiden analysointiin. Kehitimme esimerkiksi menetelmän paikallisen kideorientaation ja kidevirheiden tunnistamiseksi kiteisissä ja kvasikiteisissä mikrorakenteissa sekä niiden raerakenteen erottamiseksi. Tämä oli ensimmäinen kvasikiteille soveltuva kaltaisensa menetelmä. Tässä väitöskirjassa tehty työ luo vakaan perustan PFC-menetelmien soveltamiseksi tutkittaessa muita 2D-materiaaleja tai niiden muita fysikaalisia ominaisuuksia, kuten mekaanisia tai sähkövarausten siirtoon liittyviä ominaisuuksia.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösKaksiulotteisten materiaalien faasikenttäkidemallintaminen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8607-1
Sähköinen ISBN978-952-60-8608-8
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • faasikenttäkide, kaksiulotteiset materiaalit, grafeeni, kuusikulmainen boorinitridi, kvasikiteet, mikrorakenne, hilavirherakenteet, muodostumisenergia, lämmönsiirto

ID: 36399327