Transport und Relaxation in nanokristallinen Materialien

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluß struktureller Unordnung und Wechselwirkungsmechanismen auf das physikalische Verhalten von Nanopartikelsystemen. Dabei werden die Materialien modelliert und Simulationen zu deren physikalischem Verhalten durchgeführt. Es werden drei Arten von Nanopartikelsystemen untersucht:In Systemen aus ferromagnetischen Partikeln beeinflussen die dipolare Wechselwirkung, die Anisotropie und die Polydispersivität der Partikel das Relaxationsverhalten der remanenten Magnetisierung. Hierbei zeigt sich, daß die dipolare Wechselwirkung zu einem komplexen Verhalten der Relaxation führt.In nanoskopischen und mikroskopischen dispersen Ionenleitern wird die ionische Leitfähigkeit untersucht, wobei die Perkolation von Grenzflächen zwischen leitenden und isolierenden Partikeln betrachtet wird. Während die Leitfähigkeit bei nanokristallinen Kompositen ein Maximum mit zunehmendem Isolatoranteil zeigt, fällt sie für mikrokristalline Komposite monoton mit zunehmendem Isolatoranteil ab.Nanokristalline Metalloxidschichten, bei denen die Anwesenheit eines reaktiven Gases zu einer Änderung der Leitfähigkeit führt, können als Gassensoren genutzt werden. Hierbei treten Perkolationseffekte auf, die zu einem Detektionslimit und zu einer starken Erhöhung der Leitfähigkeitsvariation mit zunehmender Konzentration eines reduzierenden Gases oberhalb dieser Detektionsschwelle führen.

In this thesis the effect of structural disorder and interaction on the physical properties of nanocrystalline materials is investigated by computer simulations. Three different types of nanocrystalline materials are considered: In systems of ferromagnetic particles the dipolar interaction, anisotropy, and polydispersity of the particles affect the relaxational behavior of the remanent magnetization. Here, the dipolar interaction leads to a complex behavior of the relaxation. In nanoscopic and microscopic disperse conductors the ionic conductivity is studied by considering the percolation of interfaces between the conducting and insulating particles. While the conductivity shows a maximum as function of insulator content for nanoscopic composites, it decreases monotonously for microscopic composites.Nanocrystalline metal oxide layers for which the electrical conductivity is affected by the presence of a reactive gas can be used as gas sensors. Here, percolation effects are investigated which lead to a detection limit and an enhanced change of the conductivity with increasing gas concentration above the detection limit.