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Effect of component substitution on the atomic dynamics in glass-forming binary metallic melts

Nowak, Benedikt und Holland-Moritz, Dirk und Yang, Fan und Voigtmann, Thomas und Evenson, Zachary und Hansen, T.C. und Meyer, Andreas (2017) Effect of component substitution on the atomic dynamics in glass-forming binary metallic melts. Physical Review B, 96 (5), 054201. American Physical Society. doi: 10.1103/PhysRevB.96.054201. ISSN 2469-9950.

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Offizielle URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.054201

Kurzfassung

We investigate the substitution of early transition metals (Zr, Hf, and Nb) in Ni-based binary glass-forming metallic melts and the impact on structural and dynamical properties by using a combination of neutron scattering, electrostatic levitation (ESL), and isotopic substitution. The self-diffusion coefficients measured by quasielastic neutron scattering (QENS) identify a sluggish diffusion as well as an increased activation energy by almost a factor of 2 for Hf35Ni65 compared to Zr36Ni64. This finding can be explained by the locally higher packing density of Hf atoms in Hf35Ni65 compared to Zr atoms in Zr36Ni64, which has been derived from interatomic distances by analyzing the measured partial structure factors. Furthermore, QENS measurements of liquid Hf35Ni65 prepared with 60Ni, which has a vanishing incoherent scattering cross section, have demonstrated that self-diffusion of Hf is slowed down compared to the concentration weighted self-diffusion of Hf and Ni. This implies a dynamical decoupling between larger Hf and smaller Ni atoms, which can be related to a saturation effect of unequal atomic nearest-neighbor pairs, that was observed recently for Ni-rich compositions in Zr-Ni metallic melts. In order to establish a structure-dynamics relation, measured partial structure factors have been used as an input for mode-coupling theory (MCT) of the glass transition to calculate self-diffusion coefficients for the different atomic components. Remarkably,MCT can reproduce the increased activation energy for Hf35Ni65 as well as the dynamical decoupling between Hf and Ni atoms.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/113924/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Effect of component substitution on the atomic dynamics in glass-forming binary metallic melts
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Nowak, BenediktBenedikt.Nowak (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Holland-Moritz, Dirkdirk.holland-moritz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Yang, Fanfan.yang (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Voigtmann, Thomasthomas.voigtmann (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Evenson, ZacharyZachary.Evenson (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hansen, T.C.institute laue-langevin (ill), 38042 grenoble, franceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Meyer, Andreasandreas.meyer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:7 August 2017
Erschienen in:Physical Review B
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:96
DOI:10.1103/PhysRevB.96.054201
Seitenbereich:054201
Verlag:American Physical Society
ISSN:2469-9950
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Glass-forming metallic melts, Diffusion, Strutural properties, Neutron diffraction, Quasi-elastic neutron scattering, Mode coupling theory
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Materialdesign und neue Materialien
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum
Hinterlegt von: Nowak, Benedikt
Hinterlegt am:18 Sep 2017 12:58
Letzte Änderung:27 Nov 2023 11:48

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