Virtuelle Beugung

Ansprechpartner: Jürgen Markmann

Eine möglichst genaue Kenntnis des atomaren Aufbaus der Materie ist generell Voraussetzung für das Verständnis der Eigenschaften. Oft ist man dabei auch an Änderungen der Atomkonfigurationen aufgrund von äußeren Einflüssen interessiert, zum Beispiel an der elastischen Reaktion und an der Erzeugung von Gitterdefekten durch eine aufgebrachte Last. Experimente mit Röntgen- und Neutronenbeugung liefern Signale im reziproken Raum, die Rückschlüsse auf die atomare Struktur in Ortsraum zulassen, zum Beispiel auf die Kristallitgröße sowie die verschiedenen Momente (Mittelwert, Varianz) der Verteilung von Gitterparametern. Die Datenanalyse ist jedoch im Allgemeinen mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. Dagegen liefert die atomistische Simulation des jeweiligen Materials oder Prozesses mittels Molekulardynamik (MD) direkte Aussagen über die einzelnen - –typisch 105-107 - Atomkoordinaten im Ortsraum. Die vergleichende Diskussion führt nicht immer zu befriedigenden Antworten auf die Frage, inwiefern die sehr unterschiedlichen Datensätze aus Experiment und Simulation vereinbar sind. Das von uns entwickelte Verfahren der virtuellen Röntgenbeugung erlaubt hier einen aussagekräftigen Vergleich.

Ausgehend von den Atomkoordinaten der MD werden möglichst realitätsnahe ‚virtuelle’ Beugungsdiagramme berechnet und mit den identischen Auswertealgorithmen wie im Experiment analysiert. Die bisherigen Ergebnisse validieren ein Verfahren zur Bestimmung von Korngröße und Mikroverzerrung in nanokristallinen Metallen, und sie weisen nach, dass typische Befunde zur Mikroverzerrung nicht – wie oft angenommen – als Evidenz für die Existenz von Gitterversetzungen gewertet werden können. Stattdessen rührt die Verzerrung des Kristallgitters bei kleinen Korngrößen von Kompatibilitätsproblemen bei der Packung kleiner kristalliner Objekte mit gequantelter Abmessung her. Laufende Untersuchungen im Rahmen der DFG-Forschergruppe 714 ‚Plastizität in Nanomaterialien’ betreffen virtuelle und reale Beugungsexperimenten an nanokristallinen Materialien in situ unter Last.


Ausgewählte Veröffentlichungen:


J. Markmann, V. Yamakov and J. Weissmüller
Validating Grain Size Analysis from X-Ray Line Broadening: A Virtual Experiment
Scripta Mater. 59 (2008) 15

A. Stukowski, J. Markmann, J. Weissmüller and K. Albe
Atomistic origin of microstrain broadening in diffraction data of nanocrystalline solids
Acta Mater. 57 (2009) 1648

J. Markmann, D. Bachurin, L. Shao, P. Gumbsch and J. Weissmüller
Microstrain in nanocrystalline solids under load by virtual diffraction
Europhys. Lett. 89 (2010) 66002

 

Querschnitt durch eine mittels Molekulardynamik generierte Probe aus nanokristallinem Palladium. Die Atome (Kreise), sind entsprechend der lokalen Dehnung des Kristallgitters eingefärbt. Atome im Kern der Korngrenzen sind nicht gezeigt. Bemerkenswert ist die erhebliche Verzerrung trotz Fehlen von Gitterversetzungen.
Querschnitt durch eine mittels Molekular- dynamik generierte Probe aus nanokris- tallinem Palladium. Die Atome (Kreise), sind entsprechend der lokalen Dehnung des Kristall- gitters eingefärbt. Atome im Kern der Korngrenzen sind nicht gezeigt. Bemerkenswert ist die erhebliche Ver- zerrung trotz Fehlen von Gitterversetz- ungen.

 

Intensität gegen Beugungswinkel im virtuellen (oben) und experimentellen (unten) Röntgenbeugungsdiagramm von nanokristallinem Pd. Der Vergleich lässt Rückschüsse darauf zu, inwiefern die Atomkonfiguration der Computersimulation (Abbildung oben) repräsentativ für die tatsächliche Struktur des experimentell untersuchten Materials ist.
Intensität gegen Beugungswinkel im virtuellen (oben) und experimen- tellen (unten) Röntgenbeugungsdiagramm von nanokristallinem Pd. Der Vergleich lässt Rückschlüsse darauf zu, inwiefern die Atomkonfiguration der Computersimula- tion (Abbildung oben) repräsentativ für die tatsächliche Struktur des experi- mentell untersuchten Materials ist.

 

Mikroverzerrung gegen Korngröße, vergleichend ausgewertet mit Williamson-Hall Analyse des virtuellen Beugungsdiagramms und durch direkte Untersuchung der atomaren Verrückungen.
Mikroverzerrung gegen Korngröße, ver- gleichend ausgewertet mit Williamson- Hall Analyse des virtuellen Beugungs- diagramms und durch direkte Unter- suchung der atomaren Verrückungen.