Mechanische Spektroskopie an metallischen Gläsern in reduzierter Dimensionalität

Mechanical spectroscopy on metallic glasses with reduced dimensions

by Dennis Bedorf
Doctoral thesis
Date of Examination:2009-10-28
Date of issue:2009-12-14
Advisor:Prof. Dr. Konrad Samwer
Referee:Prof. Dr. Hans-Ulrich Krebs
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3648

 

 

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Abstract

English

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
 
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