Multiskalenmechnik bei amorphem Silizium
Im Gegensatz zum gut strukturierten Gitter von kristallinem Silizium (Si) besteht amorphes Silizium aus Atomen, die ein stetiges Zufallsnetzwerk bilden. Das immense wissenschaftliche Interesse an Anwendungen aus Materialien, die auf amorphem Silizium (Siliziumdioxid (SiO2)) basieren, hat die Schwierigkeit, deren mechanische Reaktion auf atomarer Ebene zu beschreiben, verdeutlicht.EU-Mittel für das Projekt PLASTAMORPH unterstützen die Entwicklung einer einheitlichen theoretischen Beschreibung dieser Materialien auf verschiedenen Längenskalen. Die Multiskalenmodellierung bot Einblick in die Rolle der physikalischen Mechanismen auf atomarer Ebene bei der Bildung makroskopische Phänomene. Eine genaue Beschreibung des Verhaltens auf kleinen Längsskalen wird dabei helfen, die Probleme von Plastizität (Deformation) und Ermüdung in Si-basierten Geräten zu beheben. Das Projekte setzte sich vier technische Ziele. Ein besseres Verständnis der lokalen mechanischen Reaktion von Si-basierten, amorphen Materialien sollte mit deren makroskopischem, rheologischem verhalten verknüpft werden. Des Weiteren wollten die Forscher das Schwingungsverhalten der Materialien bestimmen und die Auswirkungen von Druck auf Nano-Siliziumsäulen, die für Anwendungen in der Optoelektronik immer interessanter werden, untersuchen.Forscher nutzen auf mehrteiligen, dynamischen Algorithmen basierende Molekulardynamiksimulationen, um die Auswirkungen von Scheren (statische Bedingungen) und Scherraten (zeitabhängige Bedingungen) sowie die Bindungsdirektionalität auf die kleinskalige mechanische Reaktion zu analysieren. Die Simulationen bieten Beweise für zwei Arten von plastischen Umstrukturierungen: Keimbildung bei isolierten Ereignissen und lawinenartige Umstrukturierungen. Untersuchungen der Schwingungseigenschaften des amorphen Si-Modells werfen Licht auf die ungewöhnlichen Eigenschaften amorpher Materialien. Die Wissenschaftler zeigten insbesondere, dass die klassische Beschreibung, in der jede willkürliche Schwingung als die Überlagerung von grundlegenden Schwingungen beschrieben werden kann, nicht zutreffend ist. Schließlich wurden in numerischen Untersuchungen die mechanischen Eigenschaften von Nanosäulen als eine Funktion von Größe studiert. Dies zeigte einen Rückgang des inneren Drucks als eine Funktion des Quadrats des Nanosäulenradius.PLASTAMORPH bietet wichtige Einblicke in das Verhalten von amorphen, Si-basierten Materialien auf atomarer Ebene und füllt eine entscheidende Wissenslücke, die zuvor deren vollständige Nutzung in optoelektronischen Geräten verhinderte. Die Steuerung von Deformation und Ermüdung liegt nun im Bereich des Möglichen. Diese Modelle bereiten nicht nur den Weg für künftige Entwicklungen amorpher, Si-basierter Materialien, sie sind auch für die Untersuchung amorpher Feststoffe für verschiedene Anwendungen entscheidend.
