Metalliseosten termodynamiikan mallintaminen karkeistetulla tiheysfunktionaaliteorialla

Juhani Teeriniemi

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Laskentatehon kasvu on mahdollistanut yhä tarkempien kvanttimekaniikkaan pohjautuvien ab initio -menetelmien käyttöönoton termodynaamisessa mallintamisessa. Koska nämä menetelmät eivät vaadi kokeellisia parametreja, niitä voidaan käyttää täydentämään termodynaamisia tietokantoja ja selittämään atomitason prosesseja. Niillä voidaan myös ennustaa materiaalien ominaisuuksia, jolloin kokeellista työtä pystytään ohjaamaan mielenkiintoisimpiin kohteisiin. Tilastollisten suureiden määrittäminen ja materiaalien kartoittaminen ab initio -menetelmillä on kuitenkin laskennallisesti liian raskasta. Laskentatehon aiheuttama rajoite voidaan ratkaista muodostamalla karkeistettuja malleja. Tässä väitöskirjassa tiheysfunktionaaliteoriaa ja karkeistettua klusteriekspansiomallia käytettiin selittämään Cu-Ni-Pd- ja Ni-Rh -seosmetallien termodynamiikkaa. Vaikka näillä metalliseoksilla on useita käyttökohteita, mm. katalyysissä, ovat niiden ominaisuudet olleet yhä osittain tuntemattomia. Uuden tyyppisen koneoppimista hyödyntävän klusteriekspansio-ohjelman koodaaminen muodosti huomattavan osan tästä työstä. Karkeistetun mallin ennustamat äärellisten lämpötilojen faasidiagrammit vastaavat kokeellisia tuloksia hyvin, mikä osoittaa sekä klusteriekspansion että käytetyn tiheysfunktionaaliteorian olevan riittävän tarkkoja realististen ennusteiden tekemiseen. Tutkimalla muodostumisentalpian muutosta 0 K:ssä havaittiin, etteivät Cu-Ni-Pd-seosmetallit muodosta järjestäytyneitä kolmekomponenttirakenteita, vaan vapaaenergia minimoituu seostamalla fcc-rakenteisia alkuaineita, L12- ja B2 -rakenteisia CuPd-yhdisteitä. Laimeissa Cu1-xNi0,5xPd0,5x-seoksissa Ni- ja Pd -atomien ympäristö pysyy samana vastaaviin binäärisysteemeihin nähden. Ni-Rh-systeemissä ei muodostu L12-rakennetta. Sen sijaan systeemiin muodostuu Rh-rikkaita klustereita. Ni-Rh-seoksissa havaitun magneettisen momentin korostumisen osoitettiin johtuvan siitä, että matalilla Rh-konsentraatioilla Rh-atomit indusoivat niitä ympäröiville Ni-atomeille puhdasta alkuainetta suuremman magneettisen momentin. Vaikka Rh ei ole magneettinen materiaali, MoPt2-rakennetta vastaavan Ni2Rh1-yhdisteen osoitettiin olevan kaikkein magneettisin potentiaalinen Ni-Rh-rakenne. Äärellisissä lämpötiloissa mallinnetut muodostumisentalpian muutokset vastasivat saatavilla olevia kokeellisia tuloksia erittäin tarkasti. Seossuhteella Cu57Ni1Pd42 faasitransitio järjestäytyneestä bcc-rakenteesta epäjärjestäytyneeseen fcc-rakenteeseen tapahtuu n. 865 K:ssä. Ni-Rh-systeemin liukoisuusaukon maksimin ennustettiin tässä työssä sijaitsevan pisteessä: T = 765 K, X(Rh) = 0,73.
Julkaisun otsikon käännösMetalliseosten termodynamiikan mallintaminen karkeistetulla tiheysfunktionaaliteorialla
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Laasonen, Kari, Vastuuprofessori
  • Taskinen, Pekka, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-6790-2
Sähköinen ISBN978-952-60-6791-9
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • metalliseos
  • termodynamiikka
  • tiheysfunktionaaliteoria
  • kupari
  • nikkeli
  • palladium
  • rhodium

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Metalliseosten termodynamiikan mallintaminen karkeistetulla tiheysfunktionaaliteorialla'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä