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Realistic frozen phonons
thermal diffuse scattering from first principles
Theresa Helga Koch
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Toma Susi
DOI
10.25365/thesis.82173
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10798.96735.579528-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Anisotrope Atomschwingungen bestimmen den richtungsabhängigen Wärmetransport, die mechanischen Eigenschaften sowie die strukturelle Stabilität und sind daher entscheidend für das Verständnis nanostrukturierter Materialien. Jüngste Durchbrüche auf dem Gebiet der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) ermöglichen es, diese richtungsabhängigen Schwingungen auf atomarer Ebene messtechnisch zu erfassen. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden Simulationen durchgeführt, um jene spezifischen thermischen Regimes und Detektionsverfahren für die Elektronenstreuung zu identifizieren, die eine Quantifizierung der Anisotropie dieser Schwingungen in der Praxis erlauben. Zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit wurden die mittleren quadratischen Auslenkungen des etablierten isotropen Modells an die phononenbasierten thermischen Verschiebungen eines anisotropen Modells angepasst, welches aus dem machine learning Potenzial GAP-20 abgeleitet wurde. Für beide Modelle sowie für eine statische Referenzzelle wurden 4D-STEM-Messungen simuliert und sowohl „Annular Dark-Field“ (ADF) als auch „Integrated Centre of Mass“ (iCOM) Bilder rekonstruiert. Um reale experimentelle Bedingungen zu simulieren, wurde ein realistisches Rauschen implementiert und die Resultate verglichen. Die vorliegende Forschungsarbeit bestätigt, dass die Berücksichtigung anisotroper atomarer Auslenkungen für präzise STEM-Simulationen unerlässlich ist, da traditionelle isotrope Modelle kritische richtungsabhängige Asymmetrien nicht adäquat mit einbeziehen. Die Ergebnisse belegen, dass die iCOM-Bilder bei Temperaturen zwischen 300 K und 1000 K diese Schwingungen erfolgreich detektieren können, sofern spezifische Konvergenzparameter eingehalten werden und die Elektronendosis einen Wert von 10⁷ Elektronen pro Ångström² überschreitet.
Abstract
(Englisch)
Anisotropic atomic vibrations define directional thermal transport, mechanical properties and structural stability, making them critical to the understanding of nanostructured materials. Recent breakthroughs in STEM have made it possible to measure these directional vibrations at the atomic scale. In this thesis, simulations are performed to identify the specific thermal regimes and electron scattering detection schemes that allowthe anistropicity of the vibrations to be measured in practice. To ensure comparability, the root-mean-square displacements of the commonly used isotropic model were matched to the thermal displacements of a phonon-based anisotropic model derived from the GAP-20 machine learning potential. 4D-STEM measurements were simulated for both models and a static reference cell, and both Annular Dark-Field (ADF) and Integrated Centre of Mass (iCOM) images were reconstructed. Realistic noise was incorporated to simulate experimental conditions and the results compared. The research confirms that incorporating anisotropic atomic displacements can be relevant for accurate STEM simulations, as traditional isotropic models fail to capture critical directional asymmetries. The results demonstrate that iCOM imaging at temperatures between 300 K and 1000 K can successfully detect these vibrations, provided specific convergence parameters are met and electron doses exceed 107 electrons per square Ångström.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Anisotrope Atomschwingungen 4D-STEM Simulation Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) Mashine learning Potential (GAP-20) Thermische Verschiebung
Schlagwörter
(Englisch)
Anisotropic Atomic Vibrations 4D-STEM Simulation Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Machine Learning Potential (GAP-20) Thermal Displacement
Autor*innen
Theresa Helga Koch
Haupttitel (Englisch)
Realistic frozen phonons
Hauptuntertitel (Englisch)
thermal diffuse scattering from first principles
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
56 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Toma Susi
AC Nummer
AC18055890
Utheses ID
82349
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |