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Investigation of beam-induced dynamics in oxide glasses via aXPCS

Legenstein, Michael (2018) Investigation of beam-induced dynamics in oxide glasses via aXPCS.
Masterarbeit, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Sepiol, Bogdan

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DOI: 10.25365/thesis.50768
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-16681.49492.812453-3

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Abstract in English

Investigating diffusion in solid state matter has been a long-standing challenge. In recent years a new technique called atomic-scale X-ray Photon Correlation Spectroscopy (aXPCS) has emerged. Its working principle is the same as for the long established Dynamic Light scattering, but with \text{X-rays} instead of visible light. The successful realization of an aXPCS experiment was made possible by powerful new X-rays sources like third-generation synchrotrons and free-electron lasers. Ideally, the X-ray beam would only measure internal dynamics and leave the system unperturbed otherwise. However, a recent study has shown that the dynamics in vitreous silica and germanium, measured via aXPCS is proportional to the flux of the beam, while the dynamics in metallic glasses and single-crystalline Cu_90Au_10 does not show this behaviour. This indicates that aXPCS does not only probe dynamics in some materials like oxide glasses, but also induces dynamics. Further investigations of this beam-induced dynamics will be the focus of this thesis. The thesis begins with a theoretical treatment of aXPCS as well as network glasses in general and oxide glasses in particular. Then the experimental approach and the data evaluation process will be presented in detail. In the main part the effects of the beam on the dynamics of a wide range of oxide glasses will be investigated. It will be shown that the dynamics in all glasses show a dependence on the photon flux. The dynamics measured at room temperature is proportional to the flux in all glasses, indicating that the dynamics is entirely beam-induced. At temperatures well above room temperature the influence of the beam becomes significantly smaller, hinting at a mixture of beam-induced and internal dynamics. Furthermore, the characteristics of the induced dynamics will be explored in detail. Finally, the consequences of beam-induced dynamics on future aXPCS experiments will be discussed and some possible mechanisms underlying beam-induced dynamics presented.

Schlagwörter in Englisch

aXPCS / Oxide glass / Silicate glass / Borate glass / Phosphate glass / elastic X-ray scattering / Synchrotron / beam-induced dynamics

Abstract in German

Das Erforschen von Diffusionsprozessen in Festkörpern ist seit jeher eine große Herausforderung. In den letzten Jahren ist mit der atomaren Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie (aXPCS) eine neue Technik aufgekommen die es ermöglicht Diffusionsprozesse auf atomarer Ebene zu beobachten. Das Prinzip hinter der Methode ist dasselbe wie bei der etablierten Methode der dynamischen Lichtstreuung, nur dass bei aXPCS Röntgenstrahlen verwendet werden anstelle von sichtbarem Licht. Die erfolgreiche Etablierung wurde möglich durch neue, leistungsstarke Quellen für Röntgenstrahlen wie Synchrotrons der dritten Generation und Freie-Elektronen-Laser. Idealerweise dienen die Röntgenstrahlen zur Messung von internen Dynamiken und lassen das System sonst ungestört. Jedoch haben kürzlich durchgeführte aXPCS Messungen an gläsernem Silizium und Germanium gezeigt, dass die Dynamiken proportional zum Photonenfluss des Röntgenstrahls sind. Dieses Verhalten konnte in ebenfalls gemessenen metallischen Gläsern und dem Einkristall Cu_90Au_10 nicht beobachtet werden. Die Fluss-Abhängigkeit deutet darauf hin, dass aXPCS nicht nur interne Dynamiken in einigen Materialien wie Oxidgläsern misst, sondern auch selbst erzeugt. Diese induzierte Dynamiken sind der Hauptfokus dieser Arbeit. Die Arbeit beginnt mit einer theoretischen Abhandlung von aXPCS, sowie Netzwerkgläser im Allgemeinen und Oxidgläser im Speziellen. Danach wird die experimentelle Vorgehensweise und die Datenauswertung im Detail behandelt. Im Hauptteil dieser Arbeit werden die Auswirkungen des Röntgenstrahls auf die Dynamik in einer breiten Auswahl an Oxidgläsern untersucht. Es wird gezeigt, dass die Dynamik in allen Gläsern eine Abhängigkeit vom Photonenfluss aufweist. Die bei Raumtemperatur gemessene Dynamik ist bei allen Gläsern proportional zum Photonenfluss. Das ist ein starkes Indiz dafür, dass jegliche gemessene Dynamik strahlinduziert ist. Bei Temperaturen deutlich über der Raumtemperatur wird der Einfluss des Strahls merklich geringer, was auf eine Mischung aus interner und induzierter Dynamik hinweist. Weiters werden die Eigenschaften der induzierten Dynamik genauer untersucht. Schlussendlich werden die Auswirkungen der strahlinduzierten Dynamik auf zukünftige aXPCS Experimente diskutiert und mögliche Mechanismen die diesen Dynamiken zugrunde liegen präsentiert.

Schlagwörter in Deutsch

aXPCS / Oxidglas / Silikatglas / Boratglas / Phosphatglas / elastische Röntgenstreuung / Synchrotron / strahlinduzierte Dynamik

Item Type: Hochschulschrift (Masterarbeit)
Author: Legenstein, Michael
Title: Investigation of beam-induced dynamics in oxide glasses via aXPCS
Umfangsangabe: ii, 63 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Masterstudium Physik
Publication year: 2018
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Sepiol, Bogdan
Assessor: Sepiol, Bogdan
Classification: 33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie: Allgemeines
33 Physik > 33.66 Amorpher Zustand, Gläser
AC Number: AC15072320
Item ID: 50768
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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