Electronic origin of bond softening and hardening in femtosecond-laser-excited magnesium

Many ultrafast structural phenomena in solids at high fluences are related to the hardening or softening of particular lattice vibrations at lower fluences. In this paper we relate femtosecond-laser-induced phonon frequency changes to changes in the electronic density of states, which need to be evaluated only in the electronic ground state, following phonon displacement patterns. We illustrate this relationship for a particular lattice vibration of magnesium, for which we—surprisingly—find that there is both softening and hardening as a function of the femtosecond-laser fluence. Using our theory, we explain these behaviours as arising from Van Hove singularities: We show that at low excitation densities Van Hove singularities near the Fermi level dominate the change of the phonon frequency while at higher excitations Van Hove singularities that are further away in energy also become important. We expect that our theory can as well shed light on the effects of laser excitation of other materials.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.