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Investigation of the structure of lithium borate ionic glasses

Tietz, Christoph (2015) Investigation of the structure of lithium borate ionic glasses.
Masterarbeit, Universität Wien. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Sepiol, Bogdan
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29329.53870.440269-9
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Abstract in Englisch

Alkali borate glasses are well known fast ion conductors with various applications. Lithium borate glasses show the highest mobility between alkali borates and are eligible candidate for studying fast ionic motion mechanisms in glasses. The preferred new experimental technique for such studies is called atomic scale X-ray photon correlation spectroscopy (aXPCS). As outlined in the brief introduction into aXPCS given by Ross, knowledge of the ionion partial structure factor is essential for the data analysis of the aXPCS measurement. The investigation of the short-range order of lithium borate glasses is therefore seen in the prospect of future aXPCS measurements previously performed for rubidium, potassium and sodium borate glasses. The goal of this Master’s thesis was to perform preliminary experimental studies and computer simulations of short-range order (SRO) of lithium borate glasses as an introductory stage for future synchrotron experiments. SRO of lithium borate glasses was investigated by X-ray scattering. Three lithium glass samples with different alkali content were prepared in our laboratory and investigated by small-angle X-ray scattering (SAXS) as well as wide-angle X-ray scattering (WAXS) techniques. Measuring with the WAXS set-up allowed the measurement of the first two diffraction peaks. Not too much quantitative results could be extracted from the SAXS measurement yet some qualitative information about large scale inhomogeneities have been gained. The Monte Carlo simulations allow detailed investigation of structural properties like spatial correlations, angle distributions, coordination number, the abundance of tetrahedrally coordinated boron atoms, partial structure factors and the Faber-Ziman structure factor. A well established Born-Mayer-Huggins type pair potential in conjunction with a three-body potential was used to run Monte Carlo simulations in the canonical ensemble. Different quantities obtained from my simulations were compared with literature results, both experimental and simulated using Molecular Dynamics (MD) method. Similarities and discrepancies between these methods, i.e. between MC and MD technique, allowed to draw interesting conclusions about strengths and weaknesses of both types of computer simulations.

Schlagwörter in Englisch

lithium borate glass / ionic glass / Monte Carlo / structure investigation

Abstract in Deutsch

Alkaliboratgläser sind als schnelle Ionenleiter bekannt und besitzen weites Gebiet an möglichen Anwendungen. Außerdem eignen sich Alkaliboratgläser, insbesondere mit Lithium, zur Untersuchung der Physik der schnellen Ionenleitung. Diese wird bevorzugt mit der Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie mit atomarer Auflösung (aXPCS) untersucht. Die Auswertung der Messdaten erfordert die Kenntnis der partiellen Strukturfunktion der Alkaliionen, wie in einer vorhergehenden Untersuchung gezeigt wurde. Als solches kann die Untersuchung der Nahordnung in Lithiumboratgläsern im Lichte eines möglichen Korrelationsexperimentes, wie es bereits für Rubidium-, Kalium- und Natriumboratgläser gemacht wurde, gesehen werden. Das Ziel dieser Arbeit waren vorbereitende Untersuchungen zur Nahordnung von Lithiumboratgläsern mittels Computersimulationen und experimentellen Methoden für zukünftige, an Großanlagen durchgeführte, Messungen der Ionendynamik. Dazu wurden drei Proben mit unterschiedlichem Anteil an Lithium hergestellt, und mittels Röntgenkleinwinkel und Röntgenweitwinkelstreuung (SAXS+WAXS). Letztere Untersuchungen erlaubten die Bestimmung der ersten zwei Nahordnungspeaks, welche zum Vergleich mit der Simulation verwendet werden konnten. Die SAXS-Messungen brachten kaum quantitative Aussagen hervor, dafür jedoch konnten einige qualitative Aussagen über die Existenz von Inhomogenitäten auf mesoskopischer Längenskala gemacht werden. Die mit dem Metropolis Monte Carlo Algorithmus durchgeführten Simulationen gestatteten die Bestimmung verschiedener struktureller Größen. Dabei sind die partiellen und totalen Strukturfaktoren, radialen Verteilungsfunktionen, Winkelverteilungen, Koordinationszahlen und die Häufigkeit von Bor-Sauerstoff-Tetraedern bestimmt worden. Für die Simulation wurde auf ein etabliertes Potenzial der Born-Mayer-Huggins-Form mit einem zusätzlichen Dreikörperpotenzial zurückgegriffen. Verschiedene der bestimmten Größen wurden mit Literaturwerten verglichen, welche teilweise aus experimentellen Untersuchungen und teilweise aus molekulardynamischen Simulationen stammen. Eventuelle Unterschiede zwischen den Ergebnissen aus Monte Carlo und aus Molekulardynamik Simulationen ließen Schlüsse über Stärken und Schwächen beider Methoden zu.

Schlagwörter in Deutsch

Lithiumboratgläser / Ionengläser / Monte Carlo / Strukturuntersuchung

Dokumentenart: Hochschulschrift (Masterarbeit)
AutorIn: Tietz, Christoph
Titel: Investigation of the structure of lithium borate ionic glasses
Umfangsangabe: iv, 71 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Masterstudium Physik
Publikationsjahr: 2015
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Sepiol, Bogdan
BeurteilerIn: Sepiol, Bogdan
Klassifikation: 33 Physik > 33.66 Amorpher Zustand, Gläser
33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie: Allgemeines
AC-Nummer: AC13066295
Dokumenten-ID: 39552
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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