Molecular dynamics of metal oxides with induced electrostatic dipole moments

Abstract

Metal oxides belong to the most important material classes in industrial technology. These high-tech ceramics are irreplacable in lots of modern microelectronic devices due to their excellent insulating properties, high melting points and high degrees of hardness. In the theoretical study of these systems, the atomistic modelling with molecular dynamics simulations and classical effective interaction force fields is a very powerful tool. There, fundamental properties can be uncovered and understood due to the atomic resolution. Both force field generation and simulation of oxide systems are computationally much more demanding than those of metals or covalent materials due to long-range electrostatic interactions. Furthermore, it is often not sufficient to only take Coulomb interactions into account, but to include electrostatic dipole moments. The latter can be integrated with the Tangney Scandolo polarizable force field model, where dipole moments are determined by a self-consistent iterative solution during each simulation time step. Applying the direct, pairwise Wolf summation to interactions between charges and its extension to dipole moments avoids high computational effort due to its linear scaling properties in the number of particles. Three relevant metal oxides have been selected to apply the new high-performance force field generation model. Therewith, a detailed investigation of crack propagation was possible. Both crack propagation insights and the influence of cracks on the dipole field are shown. Finally, the coupling of strain and – even more meaningful – strain gradient with the dipole moments is presented, which gives rise to flexoelectric effects in non-piezoeletric materials.

Die vorliegende Arbeit vertieft die breit angelegte Modellierungs-Studie dreier wichtiger Metalloxide. Detaillierte Untersuchungen durch Molekulardynamik- Simulationen mit Kraftfeldern für Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Alpha-Aluminiumoxid werden dargestellt. Speziell angepasste Visualisierungs-Techniken erweitern die numerischen Einblicke und verhelfen zu neuen Erkenntnissen in den untersuchten ionischen Systemen. Im Wesentlichen leistet die Arbeit einen dreistufigen Beitrag zur numerischen Erforschung ionischer kondensierter Materie:

1. Zunächst wird die neue Art der Kraftfelderstellung dargestellt, welche das Potenzial-Modell von Tangney und Scandolo mit der direkten Wolfsummation verknüpft. Gezeigt wird die gewissenhafte Prüfung, dass die Vereinigung der Vorteile des TS Modells, welches elektrostatische Dipolmomente mit einbezieht, mit den linearen Skalierungs-Eigenschaften der Wolfsumme gelungen ist. Die Implementierung der Kraftfelderstellung in potfit durch den Autor gibt anderen Simulations-Gruppen die Möglichkeit, diese präzise, effiziente und flexible Methode für ihre individuellen Studien ionischer Materie einzusetzen.

2. Weiterhin werden die mithilfe der neuen Methodik generierten Kraftfelder für Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Alpha-Aluminiumoxid vorgestellt. Neben ihrer Erstellung wird in jedem Einzelfall die sorgfältige Validierung gezeigt. Die neuen Kraftfelder werden nicht nur für eigene Simulationen eingesetzt, sondern anderen Gruppen öffentlich zugänglich gemacht. Dadurch können nun vielerorts Simulationen durchgeführt werden, die bisher aufgrund von Beschränkungen bezüglich Zeit-, Längenskalen oder Randbedingungen nicht annehmbar realisierbar waren.

3. Unter Einsatz der neuen Kraftfelder wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, die – auch mithilfe der speziell angepassten Visualisierung der fraktionalen Anisotropie – zu neuen Entdeckungen und grundlegenden Erkenntnissen geführt haben: • Das für Alpha-Aluminiumoxid erstellte Kraftfeld wurde zur MD Simulation von sich ausbreitenden Rissen verwendet, welche die vor zwei Jahren elektronenmikroskopisch untersuchten Verlaufs-Richtungen von in verschiedenen kristallinen Ebenen existierenden Rissen vollständig reproduzieren konnte. Darüberhinaus konnte – erstmalig in atomistischen Simulationen von Metalloxiden – der Einfluss von sich ausbreitenden Rissen auf die Orientierung der elektrostatischen Dipolmomente beobachtet und analysiert werden. • Derartige flexoelektrische Phänomene wurden schließlich sowohl in MD Simulationen als auch mithilfe der Darstellungstheorie untersucht. Die Kombination liefert eine konsistente Vorhersage flexoelektrischen Verhaltens in Alpha-Aluminiumoxid und auch in Periklas, obwohl beide Materialien aufgrund ihrer inversionssymmetrischen Kristallstruktur keine Piezoelektrizität aufweisen. Die analytisch angenommene und experimentell vorhergesagte lineare Kopplung zwischen Spannungsgradient und flexoelektrischer Polarisation wurde von MD Simulationen bestätigt. Erstmalig wurde flexoelektrische Domänenausbildung modelliert. In Periklas zeigt sich, dass flexoelektrische Domänen exakt von Néel-Wänden abgetrennt werden.