Development and application of semi-empirical interatomic potentials to study interface faceting and fracture
Creators: name: Alam, Md Masud
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: Grenzflächen haben einen starken Einfluss auf die Eigenschaften von Materialien. Multi- (mc-) und polykristallines Silizium ist ein Prototypsystem, das die Bedeutung von Grenzflächen wie Korngrenzen (GBs) für die elektronischen Eigenschaften des Materials sowie deren technologische Implikationen demonstriert. GBs sowie ihre Wechselwirkung mit Verunreinigungen sind einer der Hauptbegrenzungsfaktoren der Effizienz von Solarzellenvorrichtungen auf mc-Si-Basis. In diesem Fall werden diese Eigenschaften durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen Mikrostruktur, Facetten- und Verunreinigungssegregationsenergien und langreichweitigen Dehnungswechselwirkungen bestimmt. In Strukturmaterialien steuern Oberflächen und Grenzflächen die Festigkeit und den Bruch der Materialien. Beispielsweise ist die Energiefreisetzungsrate durch die Bildung einer zusätzlichen freien Oberfläche bei der Rissausbreitung ein entscheidender Parameter, der den Sprödbruch steuert. Der Rheniumeffekt kann als charakteristisches Beispiel angesehen werden, das das oben Gesagte unterstreicht: Kriech- und Ermüdungseigenschaften von Superlegierungen auf Ni-Basis werden durch die Zugabe von einigen Gew.-% Re erheblich verbessert. Ein tiefgreifendes Verständnis dieses Effekts wird jedoch noch diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurden 2NN-MEAM-Potentiale für Si, C, SiC, Ni, Re und NiRe entwickelt. Unter Verwendung dieser Potentiale wurden Grenzflächen und C-Seigerung an Linienübergängen in Si und Bruch in Ni- und Ni1xRex-Legierungen untersucht. Diese Arbeiten adressieren erfolgreich bisher offene Fragen und liefern neue Einblicke in die Mechanismen, die GB-Facettierung und -Segregation steuern.
description: Interfaces have a strong impact on the properties of materials. Multi- (mc-) and poly-crystalline Silicon is a prototype system that demonstrates the importance of interfaces, such as grain boundaries (GBs), on the materials electronic properties as well their technological implications. GBs as well as their interaction with impurities are one of the major limiting factors of the efficiency of mc-Si based solar cell devices. In this case, these properties are governed by a complex interplay between microstructure, facet and impurity segregation energies, and long-range strain interactions. In structural materials, surfaces and interfaces control materials strength and fracture. For example, the energy release rate by the formation of an extra free surface upon crack propagation is a decisive parameter that controls brittle fracture. The rhenium effect can be considered as a characteristic example that highlights the aforementioned: Creep and fatigue properties of Ni-based superalloys are considerably improved by the addition of a few wt% Re. However, a deep understanding of this effect is still under debate. In the present thesis, 2NN-MEAM potentials for Si, C, SiC, Ni, Re, and NiRe have been developed. Employing these potentials, interfaces, and C segregation at line junctions in Si and fracture in Ni and Ni1xRex alloys have been investigated. These works successfully address hitherto open questions and provide new insights on the mechanisms governing GB faceting and segregation.