Statistisch-Thermodynamische Modellierung für Key-Materialien

Die statistisch-thermodynamische Modellierung der Eigenschaften von intermetallischen Verbindungen und der auf deren Grundlage hergestellten dünnen Filmsubstanzen unter unterschiedlichen technologischen Bedingungen ist von entscheidender Bedeutung, da diese sowohl aufgrund ihrer fundamentalen Eigenschaften als auch durch ihre umfassende technologische Anwendung eine faszinierende Materialgruppe darstellen. Auf Grund dessen wird im vorliegenden Projekt eine generalisierte, quantitative und voraussagende statistisch-thermodynamische Modellierung vorgeschlagen, basierend auf dem Ising-Verfahren, der Bragg-Williams- Approximierung und der quasi-chemischen Näherung von Bethe-Guggenheim, deren Ziel eine detaillierte Beschreibung des thermodynamischen Verhaltens und eine Vorhersage der Phänomene in makroskopischen und nanokristallinen intermetallischen Substanzen ist. Das neue Modellierungsverfahren behandelt sowohl Punktdefekte als auch Punktdefekt-Aggregate, wobei Leerstellen und Anti-Struktur-Atome in allen Untergittern des Kristallgitters berücksichtigt werden, und beinhaltet eine detaillierte Beschreibung der Fernordnung (LRO) im Kristallgitter. Es können aber auch Nahordnungseffekte (SRO), die vor allem im Bereich der kritischen Temperatur der Ordnungs- Unordnungs Umwandlung eine wichtige Rolle spielen, mit diesem Modell in befriedigender Weise beschrieben werden. Das neue Modellierungsverfahren und die entwickelten Modelle umfassen die voraussagenden Eigenschaften und eine allgemeine Anwendung, die dem Verständnis der Ausbildung von Fernordnung im Kristallgitter, der Verbesserung der mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften vorhandener kommerzieller Materialen, die auf der Grundlage von makroskopischen und nanokristallinen intermetallischen Komponenten hergestellt werden, und der Entdeckung neuer weiterentwickelter Substanzen dienen. Durch die Erarbeitung neuer wissenschaftlicher Konzepte besteht die Möglichkeit, teure und mitunter gefährliche Laborexperimente zu vermeiden.

Die Entwicklung innovativer und neuer, technologisch relevanter Materialien, insbesondere intermetallischer Bulk- und nanokristalliner Legierungen, stellt eines der wichtigsten Fachgebiete für die moderne Wissenschaft und Technologie dar. Diese Verbindungen bilden durch ihre grundlegenden Eigenschaften eine besonders interessante Gruppe. Von Interesse ist vor allem der sich daraus ergebende praktische und kommerzielle Anwendungsbereich. Durch die vielfältigen technisch kommerziellen Anwendungsmöglichkeiten von nanokristallinen Materialien und dünnen Schichten in der Elektronik, aber auch mikromechanischen, magnetischen und optischen Geräten, ist ein grundlegendes Wissen über die Veränderungen der Strukturen im Materialien und das Verstehen der Ordnungsprozesse von großem Interesse. Diese Veränderungen in einem Multikomponentensystem dünner Schichten beeinflusst die Langzeitstabilität dieser Materialien, wodurch der zukünftige Anwendungsbereich begrenzt wird. Die besonderen Eigenschaften von Materialien in Form von dünnen Schichten, werden zum einen durch die Ordnungsphänomene innerhalb der Strukturen bestimmt. Zum anderen verändern Art und Anzahl der Defekte im thermodynamischen Gleichgewicht bzw. die Änderung der Defektkonzentration im Gitter, in Abhängigkeit von Phasenzusammensetzung und Temperatur, die Eigenschaften dieser Systeme. Die Probleme, die während der Entwicklung dieser neuen Materialien auftreten, können verringert werden, indem die Zusammenhänge zwischen Struktur-, Zusammensetzungs- und Bearbeitungseigenschaften bekannt sind. Die Entwicklung und Anwendung von Modellen intermetallischer Verbindungen ist eine grundlegende Voraussetzung, verlässliche Daten zu erhalten und eine wichtige Informationsquelle für Spezialisten. Dies induziert neue theoretische Studien, die im gegenwärtigen Projekt umgesetzt wurden. Der Fokus liegt dabei auf einem exakten thermodynamischen Modellierungsansatz. Die auf dessen Basis entwickelten Modelle, liefern Information über Effekte und Veränderungen innerhalb der Materialien. Durch die Kombinationen, die sich aus den unterschiedlichen Anordnungen z.B. der Defekte im Kristallgitter ergeben, können in weiterer Folge durch das Modellieren entscheidende Informationen über thermodynamische Eigenschaften der intermetallischen Verbindungen gewonnen werden. Dadurch wird eine Aussage über viele Größenordnungen der räumlichen Ausdehnung, von makroskopisch dreidimensionalen Strukturen, bis hin zu dünnen Schichten und Nanopartikeln möglich. Das Projekt umfasst eine Voraussage und eine allgemeine Anwendung der Anordnungsprozesse innerhalb der Strukturen im Metallgitter. Das Ziel ist eine effiziente und kostensparende Möglichkeit zur Verbesserung der mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften in kommerziellen Legierungen und nanokristallinen Materialien zu schaffen und die Entwicklung neuer Materialien zu erleichtern. Dieser neue Modellierungsansatz und die daraus resultierenden Ergebnisse, ermöglichen auch, aus unterschiedlichen, oftmals widersprechenden Literaturinformation, eine bessere und zuverlässige Datenverarbeitung. Dadurch wird eine rasche Abschätzung der thermodynamischen Beschreibung des interessierenden Systems, in Bezug auf Vorhersage und Entdeckung neuer Phasen mit spezifischen Eigenschaften und der Identifizierung der entsprechenden Schlüssellegierungen, die für die experimentellen Daten von Bedeutung sind, möglich. Wir glauben, dass dieses Verfahren eine brauchbare Strategie, für die Entwicklung von komplexen nanokristallinen Materialien mit praktischen und außergewöhnlichen Eigenschaften, darstellt.