Authors:	Scherer, Christoph
Title:	Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties
Online publication date:	21-Sep-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results. Molekulardynamiksimulationen von Silikat- und Boratgläsern: Struktur, Diffusionsdynamik und Vibrationseigensschaften. In dieser Arbeit werden Computersimulationen der Modellglasbildner SiO2 und B2O3 vorgestellt, mittels klassischer Molekulardynamik(MD)-Simulationen und quantenmechanischer Rechnungen, basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Letzteres limitiert die Systemgröße auf in etwa 100−200 Atome. SiO2 und B2O3 sind die beiden wichtigsten Netzwerkbildner für industrielle Anwendungen oxidischer Gläser. Glaskonfigurationen werden durch einen Quench aus der Schmelze mit klassischen MD Simulationen und einer nachfolgenden strukturellen Relaxation mit DFT Kräften generiert. Des weiteren werden Ab Initio Quenches durchgeführt mit einer signifikant schnelleren Abkühlrate. Grundsätzlich stimmen die strukturellen Eigenschaften in allen Fällen gut mit experimentellen Ergebnissen von Röntgen- und Neutronenstreuung überein. Ein besonderer Fokus liegt auf den Vibrationseigenschaften, da diese die Berechnung der Niedertemperatur-Thermodynamik ermöglichen. Die Vibrationsspektren werden mit der sogenannten ”Frozen Phonon”-Methode berechnet. In allen Fällen zeigen die DFT-Kurven eine akzeptable Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen inelastischer Neutronenstreuung. Im Falle des Modellglasbildners B2O3 wird ein neues klassisches Wechselwirkungspotential parametrisiert, basierend auf der Flüssig-Trajektorie einer Ab Initio MD Simulation bei 2300 K. Dabei wird eine strukturelle Fitprozedur verwendet. Die Einbeziehung von Dreikörper-Winkeltermen führt zu einer signifikant verbesserten Übereinstimmung der Flüssig-Eigenschaften der klassischen MD und Ab Initio MD Simulationen. Allerdings weisen die generierten Glasstrukturen in allen Fällen einen signifikant niedrigeren Anteil von planaren Boroxolringen mit je 3 Bor- und 3 Sauerstoffatomen auf im Vergleich zur experimentellen Vorhersage (f=60%-80%). Der größte Boroxolringanteil von f=15±5% wird beim Ab Initio Quench von 2300 K beobachtet. Im Falle von SiO2 sind die Glaskonfigurationen nach der strukturellen Relaxation Basis für Berechnung des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αL(T) in quasiharmonischer Näherung. Bemerkenswert ist die Beobachtung eines Vorzeichenwechsels in αL(T), einhergehend mit einem Temperaturbereich mit negativem αL(T) bei niedrigen Temperaturen, in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1254
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41624
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen