Mechanische Spektroskopie an metallischen Gläsern in reduzierter Dimensionalität
Mechanical spectroscopy on metallic glasses with reduced dimensions
von Dennis Bedorf
Datum der mündl. Prüfung:2009-10-28
Erschienen:2009-12-14
Betreuer:Prof. Dr. Konrad Samwer
Gutachter:Prof. Dr. Hans-Ulrich Krebs
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
In glasses a broad spectra of different relaxation times is observed, but the underlying physical mechanisms are still a matter of investigation. The reason for the complex dynamics is mainly linked to heterogeneities with characteristic length scales and relaxation times. The direct investigation of atomistic processes is till now only possible in simulation studies. Here we present an experimental approach to relevant length scales, using mechanical spectroscopy for thin films of amorphous PdCuSi. The mechanical loss of films with only a few nanometres thickness can be measured with the applied double paddle oscillator technique. As a reference for bulk-like films we chose a thickness of 200 nm. This sample shows a pronounced loss at above room temperature, at the glass transition the viscous loss arises. For thin films we found a critical thickness of 25-30 nm, below there is no mechanical loss measurable at moderate temperatures. Only the primary loss or viscous loss becomes apparent at high temperatures without the signature of a secondary process. The non-appearance of a secondary (β-) process is interpreted with characteristics of string-like excitations of atom movements. These deformations lead to long-range elastic fields which can interact with interfaces or surfaces of the sample. As a result of distinctive image forces the string-like excitations are forced to annihilate.
Keywords: metallic glasses; mechanical spectroscopy; dynamical heterogeneities; thin films
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Die Dynamik in Gläsern zeigt ein breites
Spektrum an Relaxationszeiten und ist bisher nicht vollständig
aufgeklärt. Als Ursache der komplexen Dynamik werden dynamische
Heterogenitäten mit charakteristischen Zeiten und Längenskalen
angesehen. Einen direkten Zugang zu atomistischen Prozessen bieten
bisher ausschließlich Simulationsstudien.
Mit dem Ziel relevante Längenskalen und den Einfluss der
Dimensionalität experimentell zu studieren werden hier dünne
Schichten aus amorphem PdCuSi mittels mechanischer Spektroskopie
untersucht. Die verwendete Doppelpaddel-Oszillator Technik
ermöglicht Verlustprozesse in Filmen mit nur wenigen Nanometern
Schichtdicke zu messen.
Um eine Referenz zu dem Verhalten massiver Proben bei gleicher
Herstellung zu erhalten, wird eine Schichtdicke von 200 nm gewählt.
Die mechanische Analyse dieser Schicht zeigt einen ausgeprägten
Verlust oberhalb von Raumtemperatur, bei dem Glasübergang wird ein
starker viskoser Verlust beobachtet.
Für dünne Schichten zeigt sich eine kritische Schichtdicke von
25-30 nm, unterhalb derer kein mechanischer Verlust bei mittleren
Temperaturen mehr messbar ist. Es wird nur bei hoher Temperatur der
viskos bedingte primäre Verlustprozess, jedoch kein sekundärer
Prozess beobachtet.
Das Nichtauftreten des sekundären (β-) Verlustes wird mit den
Eigenschaften atomarer kettenartiger Verschiebungen erklärt. Diese
Prozesse erzeugen langreichweitige Spannungsfelder, welche mit
Oberflächen und Grenzflächen wechselwirken (Bildkräfte), worauf die
Kettenprozesse annihilieren.
Schlagwörter: Metallische Gläser; Mechanische Spektroskopie; Dynamische Heterogenitäten; Dünne Schichten