Investigation of defects in quasicrystals

• Název práce v češtině: Studium defektů v kvazikrystalech
• Název v anglickém jazyce: Investigation of defects in quasicrystals
• Klíčová slova: kvazikrystaly, defekty, Mg-slitiny, anihilace pozitronů
• Klíčová slova anglicky: quasicrystals, defects, Mg-alloys, positron annihilation
• Akademický rok vypsání: 2017/2018
• Typ práce: rigorózní práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: prof. Mgr. Jakub Čížek, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 15.11.2017
• Datum zadání: 15.11.2017
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.11.2017
• Datum a čas obhajoby: 19.12.2017 00:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 15.11.2017
• Datum odevzdání tištěné podoby: 15.11.2017
• Datum proběhlé obhajoby: 19.12.2017

Zásady pro vypracování

1. Prostudování odborné literatury o kvazikrystalech

2. Seznámení se s technikou pozitronové anihilační spektroskopie

3. Příprava vzorků Mg-slitin s kvazikrystalickou ikosaedrální fází a také vzorků čistých kvazikrystalů

4. Charakteristika struktury a fázového složení připravených vzorků pomocí difrakce rtg. záření a elektronové mikroskopie

5. Studium defektů spojených s kvazikrystalickou fází pomocí pozitronové anihilační spektrokopie

6. Analýza a interpretace experimentálních dat

7. Sepsání disertační práce

Seznam odborné literatury

1. P.Hautojärvi: Positrons in Solids, Topics in Current Physics, Springer-Verlag (1979).
2. A. Dupasquier, A.P. Mills, Jr. (eds.): Positron Spectroscopy of Solids, IOS Press, Amsterdam (1995).
3. Yu. Kh. Vekilov, M. A. Chernikov: “Quasicrystals”, Physics-Uspekhi 53, 537-560 (2010).

Předběžná náplň práce

Kvazikrystaly vykazují jedinečný typ uspořádané struktury bez translační periodicity a s pětičetnou symetrií, která je zakázaná v klasických krystalech. Struktura a fyzikální mechanismus vzniku kvazikrystalů stále ještě nejsou zcela pochopeny. Kvazikrystaly jsou nejen extrémně zajímavé materiály z fyzikálního hlediska, ale mají i praktické uplatnění. V nedávné době byly stabilní kvazikrystalické fáze s ikosaedrální strukturou nalezeny v některých Mg slitinách. Přítomnost kvazikrystalické fáze vede k výraznému zlepšení mechanických vlastností těchto slitin. Kvazikrystaly jsou totiž tvrdé a velmi obtížně se deformují, současně rozhraní mezi kvazikrystalickou fází a Mg matricí je charakterizováno velmi nízkou povrchovou energií. Nedochází tedy ke vzniku trhlin mezi částicemí kvazikrystalické fáze a Mg matricí. Vzhledem ke své nízké energii musí být rozhraní kvazikrystalické fáze a Mg matrice alespoň lokálně koherentní. Nevyhnutelná nesouměřitelnost Mg mříže a kvazikrystalické fáze vede k elastické deformaci Mg matrice v blízkosti rozhraní. Napětí vnesené do Mg mříže požadavkem koherence s kvazikrystalickou fází musí být nutně relaxováno defekty, které by se měly vyskytovat s určitou periodou podél rozhraní mezi kvazikrystalickou fází a matricí. Lze tedy očekávat, že v Mg slitinách s kvazikrystalickou fázi existují specifické typy strukturních defektů, které jsou přímým důsledkem ikosaedrální struktury kvazikrystalické fáze.
Cílem této práce je detailní studium defektů na rozhraní mezi kvazikrystalickou fází a Mg matricí. Defekty ve vybraných Mg slitinách obsahujících částice s kvazikrystalickou fází budou v této práci charakterizovány na atomární úrovni metodou pozitronové anihilační spektroskopie (PAS), která představuje renomovanou nedestruktivní techniku s vysokou citlivostí na defekty spojené s volným objemem. PAS umožňuje určit velikost a koncentraci defektů, ale také charakterizovat jejich lokální chemické okolí. Mg slitiny s kvazikrystalickou fází (tj. dvou-fázový systém) budou srovnány s čistými kvazikrystaly (jednofázový systém) s cílem vyjasnit zda se defekty spojené s volným objemem nacházejí přímo uvnitř kvazikrystalů nebo zda jsou vázány výlučně na rozhraní mezi kvazikrystalem a krystalickou matricí.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Quasicrystals exhibit unique type of ordered structure without translation periodicity and with five-fold symmetry forbidden in ordinary crystals. Structure and physical mechanism of quasicrystal growth are still not fully understood. Quasicrystals are not only extremely interesting materials from the point of view of fundamental physics, but have also important practical applications. Stable quasicrystalline phase with icosahedral structure was found recently in some Mg-alloys. Qusicrystalline phase causes a substantial improvement of mechnical properties of Mg-alloys. Quasicrystals are brittle and hard to deform. Simultaneously the interface between the quasicrystalline phase and Mg matrix exhibits very low interfacial energy. As a consequence, there is no de-cohesion and/or crack formation between the qusicrystalline phase and Mg matrix. Due to its low energy the interface between the quasicrystalline phase and Mg matrix must be at least locally coherent. Unavoidable incommensurability of Mg lattice and quasicrystalline phase leads to elastic deformation of Mg matrix adjacent to the interface. Elastic stresses introduced into Mg matrix by requirement of the coherence with quasicrystalline phase must be unavoidable relaxed by defects, which should be present with certain period along the interface. Hence, one can expect that Mg-alloys with qusicrystalline phase contain specific kind of defects which are directly related to icosahedral phase.
The aim of this work is investigation of defects at the interface between the quasicrystalline phase and Mg matrix. Defects in selected Mg alloys containing quasicrystalline phase will be characterized at the atomic scale by positron annihilation spectroscopy (PAS), which represents well-developed non-destructive technique with a high sensitivity to open-volume defects associated with open volume. PAS enables to determine size and concentration of open-volume defects and also to characterize their local chemical environment. Mg-alloys with quasicrystalline phase (i.e. two-phase system) will be compared with pure quasicrystals (single-phase system) with purpose to clarify whether open-volume defects may be situated inside quasicrystals or are located exclusively at the interface between quasicrystal and crystalline matrix.