TY  - THES
A1  - Bradeanu, Ioana Lavinia
T1  - Photoionization and excitation of free variable size van der Waals clusters in the inner shell regime
T1  - Photoionisation und Anregung von van der Waals Clustern variabler Größe im Bereich der Innerschalenanregung
N2  - The studies presented in this thesis deal with resonant and non-resonant excitation of free variable size clusters using synchrotron radiation in the soft X-ray regime. The post collision interaction (PCI) effect is investigated in free variable size krypton and argon clusters near the Kr 3d and Ar 2p ionization energies. The core ionization energies of surface and bulk sites in variable size clusters can be clearly distinguished. This is mostly due to the polarization screening. It is found that the asymmetry, which is a consequence of PCI, is characteristically smaller for clusters than for isolated atoms. Moreover, there is less asymmetry for bulk sites than for surface sites in variable size rare gas clusters. We assign the results in terms of mechanisms that are based on quantum mechanical models of post collision interaction. Complementary experiments on the photoionization of free van der Waals clusters are performed by using zero kinetic energy (ZEKE) photoelectron spectroscopy in the Ar 2p-, Kr 3d-, Ne 1s-, and N2-regimes. The experimental approach is also suitable to detect cluster size dependent changes in electronic structure. This also allows us to study post collision interaction in variable size clusters. The parameters of the PCI profiles deduced for ZEKE experiments indicate that there are no significant changes in core ionization dynamics compared to near-threshold experiments. Results from model calculations in Kr 3d ionization energy indicate that different geometric sites can be clearly distinguished from each other by their substantial shift in Kr 3d ionization energy, though the dimer shows almost the same Kr 3d ionization energy as the free atom. A comparison with the experimental results indicates that there is resemblance with the model calculations, even though close-lying ionization energies are blended and require deconvolutions of the experimental spectra. It is evident from the present work that one can observe distinct shifts in core ionization energies in van der Waals clusters that are formed in wide size distributions of a jet expansion. The emission of ultraviolet fluorescence radiation from variable size argon clusters is investigated with high spectral resolution in the Ar 2p-excitation regime. The fluorescence excitation spectra reveal strong fluorescence intensity in the Ar 2p-continuum, but no evidence for the occurrence of discrete low-lying core-exciton states in the near-edge regime. This finding is different from the absorption and photoionization cross sections of argon clusters and the solid. The dispersed fluorescence shows a broad molecular band centered near 280 nm. The present results are consistent with the formation of singly charged, excited moieties within the clusters, which are assigned as sources of the radiative relaxation in the 280 nm regime. A fast energy transfer process (interatomic Coulombic decay, ICD) is assigned to be primarily the origin of these singly charged, excited cations besides intra-cluster electron impact ionization by Auger electrons. Our findings give possibly the first experimental evidence for ICD in the core level regime. Free, variable size nitrogen clusters are investigated in the N 1s excitation regime in comparison with the free molecule and solid nitrogen. The conversion of Rydberg states into core excitons, surface and bulk, was studied. The experimental results are simulated by ab initio calculations using (N2)13 as a reasonable prototype cluster structure that allows us to simulate both surface and bulk properties in comparison with the isolated molecule. The present results clearly show that there are specific properties, such as molecular orientation, in molecular van der Waals clusters, which do not exist in atomic van der Waals clusters. It is shown that inner and outer surface sites give rise to distinct energy shifts of the low lying surface core excitons.
N2  - In der vorliegenden Dissertation wurden Experimente zur resonanten und nicht-resonanten Anregung von Clustern variabler Größe durchgeführt. Hierzu kam Synchrotronstrahlung im weichen Röntgenbereich zum Einsatz. Der "Post-Collision Interaction"-Effekt (PCI) wurde im Detail am Beispiel von Krypton und Argon-Clustern im Bereich der Kr 3d- und Ar 2p-Anregung studiert. Es lassen sich die Ionisierungsenergien von Atomen, die an der Oberfläche bzw. im Volumen gebunden sind, klar unterscheiden. Dies ist aufgrund der unterschiedlichen Polarisationsabschirmung möglich, die zu einer Verschiebung der Innerschalen-Ionisierungsenergien führt. Die Linienformen der Photoelektronenbanden werden asymmetrisch, wenn die Anregungsenergie geringfügig über der Ionisierungsenergie liegt. Dies lässt sich auf den PCI-Effekt zurückführen. Es wird beobachtet, dass die Asymmetrie vom isolierten Atom über Oberflächenatome zu den im Volumen gebundenen Atomen abnimmt. Diese Veränderung der Linienformen wird mit Hilfe von Mechanismen, die auf Grundlage von quantenmechanischen Modellen basieren, interpretiert. Komplementäre Experimente wurden an Argon- und Neon-Clustern zur Nullvolt-Photoelektronen-Spektroskopie (ZEKE) durchgeführt (Anregung der Ar 2p-Kante, Kr 3d-Kante, N2 1s und Ne 1s-Kante). Auch mit diesem Ansatz lassen sich größenabhängige Veränderungen der elektronischen Struktur in Clustern sowie die Bedeutung des PCI Effektes bestimmen. Ein Vergleich dieser Resultate mit der Anregung, die nahe der Ionisationsschwelle liegt, zeigt, dass es zu keiner signifikanten Veränderung der Ionisationsdynamik als Funktion der Anregungsenergie kommt. Berechnungen zur Ioniserungsenergien von Krypton-Clustern im Bereich der Kr 3d-Anregung zeigen, dass sich einzelne geometrische Orte klar in ihrer Ionisierungsenergie unterscheiden. Das Krypton-Dimer zeigt allerdings fast dieselbe 3d-Ioniserungsenergie wie das freie Atom. Der Vergleich mit den experimentellen Resultaten zeigt, dass eine gute übereinstimmung zwischen Modell und Experiment besteht. Allerdings müssen die experimentellen Spektren entfaltet werden, da die relativen Verschiebungen der Ionisierungsenergien zu gering sind und die Rumpflochlebensdauer zu einer Verbreiterung der Banden führt. Die Resultate belegen, dass sich ausgezeichnete Werte für Rumpfniveau-Ionisierungsenergien bestimmen lassen, obwohl die Cluster in breiten Größenverteilungen vorliegen. Dies lässt sich durch die ortsspezifische Photoionisation erklären. Die Emission von Fluoreszenzstrahlung im ultravioletten Spektralbereich nach Rumpfniveauanregung wurde im Fall von 2p-angeregten Argon-Clustern untersucht. Die hochaufgel östen Spektren zeigen hohe Intensität im 2p-Kontinuum, jedoch keinen Hinweis auf signifikante Beiträge im Bereich der Rumpfniveau-Excitonen. Dieses Ergebnis unterscheidet sich vom Absoprtions- und Photoionisationsquerschnitt von Argon-Clustern sowie festem Argon. Die dispergierte Fluoreszenz liefert eine intensive Bande bei 280 nm. Dieses Resultat lässt sich mit der Fluoreszenz von einfach geladenen, angeregten Argon-Clustern erklären. Die Bildung von einfach geladenen Ionen nach primärer Doppelionisation im Ar 2p-Kontinuum wird durch einen schnellen Energietransfer-Prozess (Interatomic Coulombic Decay, ICD) erklärt. Er läuft nach der Rumpfniveauanregung ab und liefert, neben der Elektronenstoßionisation durch schnelle Auger-Elektronen, einfach geladene Clusterfragmente, die nachfolgend strahlend relaxieren. Dieses Ergebnis ist als erster Hinweis darauf zu werten, dass der ICD-Prozess auch im Bereich der Innerschalenanregung auftritt. Freie Stickstoff-Cluster variabler Größe wurden im Bereich der N 1s-Anregung untersucht. Hier stand die Umwandlung der Rydberg-Zustände in die entsprechenden Oberflächen- und Volumen-Excitonen in Fokus der Studien. Die Resultate wurden mit denen zu freiem und kondensiertem Stickstoff verglichen. Die experimentellen Resultate lassen auch einen Vergleich mit ab initio Rechnungen zu, wofür (N2)13 als Prototyp-Cluster genutzt wurde, da hier sowohl oberflähen - als auch volumengebundene Moleküle auftreten. Diese Resultate zeigen signifikante Unterschiede im Vergleich zu atomaren Clustern. Es zeigt sich, dass die molekulare Orientierung die Lage der Excitonenbanden beeinflusßt. Ebenso treten signifikante Energieverschiebungen relativ zum isolierten Molekül auf, die sich durch Absorption von Zentren erklären lassen, die entweder auf der inneren bzw. äußeren Oberfläche der Cluster gebunden sind.
KW  - Photoionisation
KW  - Van-der-Waals-Cluster
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Photoelektronen-Spektroskopie
KW  - van der Waals Clustern
KW  - Rumpfniveauanregung
KW  - PCI
KW  - ICD
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - van der Waals clusters
KW  - core level excitation
KW  - PCI
KW  - ICD
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16372
ER  - 
TY  - THES
A1  - Iuga, Maria
T1  - Ab Initio and Finite Element Simulations of Material Properties in Multiphase Ceramics
T1  - Ab Initio und Finite-Elemente Simulationen der Materialeigenschaften in der Mehrphasen-Keramik
N2  - In the present study numerical methods are employed within the framework of multiscale modeling. Quantum mechanics and finite element method simulations have been used in order to calculate thermoelastic properties of ceramics. At the atomic scale, elastic constants of ten different ceramics (Al2O3, alpha- and beta-SiC, TiO2-rutile and anatase, AlN, BN, CaF2, TiB2, ZrO2) were calculated from the first principles (ab-initio) using the density functional theory with the general gradient approximation. The simulated elastic moduli were compared with measured values. These results have shown that the ab-initio computations can be used independently from experiment to predict elastic behavior and can provide a basis for the modeling of structural and elastic properties of more complex composite ceramics. In order to simulate macroscopic material properties of composite ceramics from the material properties of the constituting phases, 3D finite element models were used. The influence of microstructural features such as pores and grain boundaries on the effective thermoelastic properties is studied through a diversity of geometries like truncated spheres in cubic and random arrangement, modified Voronoi polyhedra, etc. A 3D model is used for modeling the microstructure of the ceramic samples. The measured parameters, like volume fractions of the two phases, grain size ratios and grain boundary areas are calculated for each structure. The theoretical model is then varied to fit the geometrical data derived from experimental samples. The model considerations are illustrated on two types of bi-continuous materials, a porous ceramic, alumina (Al2O3) and a dense ceramic, zirconia-alumina composite (ZA). For the present study, alumina samples partially sintered at temperatures between 800 and 1320 C, with fractional densities between 58.4% and 97% have been used. For ZA ceramic the zirconia powder was partially stabilized and the ratio between alumina and zirconia was varied. For these two examples of ceramics, Young’s modulus and thermal conductivity were calculated and compared to experimental data of samples of the respective microstructure. Comparing the experimental and simulated values of Young’s modulus for Al2O3 ceramic a good agreement was obtained. For the thermal conductivity the consideration of thermal boundary resistance (TBR) was necessary. It was shown that for different values of TBR the experimental data lie within the simulated thermal conductivities. In the case of ZA ceramic also a good agreement between simulated and experimental values was observed. For smaller ZrO2 fractions, a larger Young’s modulus and thermal conductivity was observed in the experimental samples. The discrepancies have been discussed by taking into account the effect of pressure. Considering the dependence of the thermoelastic properties on the pressure, it has been shown that the thermal stresses resulting from the cooling process were insufficient to explain the discrepancies between experimental and simulated thermoelastic properties.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen einer Multiskalen-Modellierung quantenmechanische und Finite-Elemente-Simulationen verwendet, um thermoelastische Eigenschaften keramischer Materialien zu untersuchen. Auf atomarer Skala wurden die elastischen Konstanten von zehn unterschiedlichen Keramiken berechnet: Al2O3, alpha- und beta-SiC, TiO2-Rutil und Anatas, AlN, BN, CaF2, TiB2, ZrO2, wobei die Dichtefunktionaltheorie mit der verallgemeinerten Gradientennäherung verwendet wurde. Die simulierten elastischen Konstanten wurden mit gemessenen Werten verglichen. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die quantenmechanischen Berechnungen unabhängig vom Experiment verwendet werden können, um elastisches Verhalten vorauszusagen. Außerdem stehen sie als Grundlage für das Modellieren der strukturellen und elastischen Eigenschaften der komplexeren keramischen Kompositen zur Verfügung. Um makroskopische Eigenschaften keramischer Komposite aus den Eigenschaften der beteiligten Phasen zu simulieren, wurden 3D Finite Elemente Modelle benutzt. Der Einfluss von Mikrostrukturmerkmalen, wie Poren und Korngrenzen, auf die thermoelastischen Eigenschaften wurde in verschiedenen Geometrien wie z.B. abgeschnittene Kugeln in kubischer und zufälliger Anordnung oder Voronoi-Polyeder studiert. 3D-Modelle wurden auch für das Modellieren der Mikrostruktur experimenteller Proben benutzt. Parameter, wie der Volumenanteil der beteiligten Phasen, die Korngrößenverhältnisse und die Korngrenzflächenanteile wurden für jede Struktur gemessen. Das theoretische Strukturmodell wurde dann variiert, um es an die geometrischen Daten der experimentellen Proben anzupassen. Das Modell wurde an zwei Materialtypen, einer porösen Keramik, Aluminiumoxid (Al2O3) und einer dichten Keramik, einem Komposit aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (ZA) angewendet. Für die vorliegende Arbeit wurden die Al2O3 Proben teilgesintert, bei Temperaturen zwischen 800 und 1320 C, mit Dichten zwischen 58.4% und 97%. Für die ZA Keramik wurde das ZrO2 Pulver partiell stabilisiert und das Verhältnis zwischen Al2O3 und ZrO2 verändert. Für diese zwei Keramiken wurden der Young Modul und die Wärmeleitfähigkeit errechnet und mit den experimentellen Daten verglichen. Der Young Modul der Al2O3 Keramik zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und simulierten Werten. Für die Wärmeleitfähigkeit wurde die Berücksichtigung des Wärmewiderstands an Korngrenzen notwendig. Es zeigte sich, dass die experimentellen Daten für den Wärmewiderstand mit dem simulierten Wert kompatibel sind. Im Fall der ZA-Keramik wurde bei höheren ZrO2 - Volumenanteilen ebenfalls eine gute Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Werten des Young-Moduls und der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Bei kleineren ZrO2 -Volumenanteilen wurden jedoch ein größerer Young-Modul und eine größere Wärmeleitfähigkeit in den experimentellen Proben beobachtet. Um diese Unterschiede zu erklären, wurde der Einfluss des Drucks auf die thermoelastischen Eigenschaften berechnet. Es wurde gezeigt, dass die thermischen Spannungen, die aus dem Abkühlungsprozess resultieren, nicht ausreichen, um die Unterschiede zwischen experimentellen und simulierten Eigenschaften zu erklären.
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - quantenmechanische Simulationen
KW  - Finite-Elemente Methode
KW  - Mikrostrukturen
KW  - thermoelastische Eigenschaften
KW  - mehrphasen Keramiken
KW  - quantum mechanics simulations
KW  - finite element method
KW  - microstructure
KW  - thermoelastic properties
KW  - multiphase ceramics
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26246
ER  -