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Main Title: Self-assembly of nanorods on quasicrystalline substrates
Translated Title: Selbstorganisation von Nanostäbchen auf quasikristallinen Oberflächen
Author(s): Kählitz, Philipp
Advisor(s): Stark, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Quasikristalle besitzen eine langreichweitige Positionsordnung mit einer nicht kritallografischen Rotationssymmmetrie. Die quasikristalline Ordnung führt zu interessanten Eigenschaften ihrer Oberflächen. In dieser Arbeit untersuchen wir das Phasenverhalten und die Mobilität von harten Stäbchen auf einem quasicrystallinen Substrat mittels Computersimulationsn. Das quasicrystalline Substrat wird durch die Inteferenz von fünf Laser Strahlen erzeugt und besitzt eine dekagonale Rotationssymmetrie. Wir untersuchen zwei verschiedene Teilchenmodelle, das der harten Nadeln und das der harten Spherozylinder. Die harten Nadeln sind das simpelste Teilchenmodell welches flüssigkristalline Phasen aufweist. Sie besitzen aber kein Volumen. den Einfluss eines Teilchenvolumens untersuchen wir im Modell der harten Spherozylinder. In einem zweidimensionalen System findet unter Erhöhung der Dichte der Stäbchen ein Phasenübergang von der isotropen in eine quasi-nematische Phase statt. Auf dem Substrat zeigen Stäbchen zweier verschiedener Längenskalen unterschiedliches Phasenverhalten. Die kurzen Stäbchen können nur zwei Minima des Substrates verbinden. Die langen Stäbchen können mehrere Minima verbinden. Unter dem Einfluss des Substrates finden sich die kurzen Nadeln zwischen den Minima des Potenzials zu Clustern zusammen, die jeweils von einander getrennt liegen. Die Cluster sind nach den Symmetrierichtungen des Substrates ausgerichtet. Durch diesen Prozess wird die quasi-nematische Phase zerstört. Für hohe Dichten und Potentialstärken kann eine nematische Phase eingefroren werden. Auch die langen Nadeln bilden auf dem Substrat Cluster. Im Gegensatz zu den kurzen Nadeln sind diese Cluster miteinander verbunden und können sich Minimapositionen teilen. Mehrere Cluster können sich zu Linien zusammen setzen, die in Richtung der Symmetrieachsen des Substrates liegen. Auf diese Weise kann die quasi-nematische Phase stabilisiert werden. Die Abstände zwischen den Linien folgen zwei verflochtenen Fibonacci Sequenzen. Bei niedrigen Dichten formieren sich die Cluster in unterschiedlich nach den Symmetrieachsen des Potentials ausgerichtete Regionen. Eine solche nicht nematische dekagonal ausgerichtete Phase kann auch bei hohen Dichten und Potentialstärken eingefroren werden. Ähnlich den kurzen Nadeln bilden die kurzen Spherozylinder unter Einfluss des Substratets getrennte nach den Symmetrieachsen des Potentials ausgerichtete Cluster. Aufgrund ihres Volumens füllt sich die Fläche bei einer Erhöhung der Dichte. Dabei schwächt sich die dekagonale Ausrichtung deutlich ab und bei sehr hohen Dichten verschieben sich die bevorzugten Richtungen der Stäbchen relativ zu den Symmetrieachsen des Potentials. Die langen Spherozylinder ordnen sich auf dem Substrat entlang von Linien. Die räumliche Ordnung der Stäbchen ist sehr schwach und wird letztendlich durch sehr hohe Dichten völlig zerstört. Die dekagonale Ausrichtung hingegen bleibt selbst bei hohen Dichten erhalten. Zusäzlich haben wir die Monbilität der Stäbchen bestimmt. Unter Erhöhung der Potentialstärke werden die kurzen Stäbchen zwischen den Minimapositionen gefangen. Die Mobilität steigt wieder, wenn die Dichte erhöht wird. Die langen Spherozylinder können entlang der Symmetrielinien des Potenzials entlang gleiten. Dadurch bleiben sie selbst bei hohen Potentialstärken mobil.
Quasicrystals possess long-range positional order with a non-crystallographic rotational symmetry. Quasicrystalline order leads to interesting surface properties. Adsorbates on quasicrystalline surfaces can form new self-assembled structures. In this work we study by computer simulations the phase behavior and mobility of hard rods in a quasicrystalline substrate potential. The quasicrystalline substrate is derived from the interference pattern of five laser beams and possesses a decagonal rotational symmetry. We take two different particle models into account namely the hard needles and the hard spherocylinders. Hard needles are the simplest form of elongated particles which form liquid crystalline phases. They do not exhibit an excluded volume. To take excluded volume effects into account, we also studied the hard spherocylinder model. In two dimensions the hard rods are known to undergo a density driven phase transition from an isotropic phase to a quasi-nematic phase. When the substrate potential is present, we find different phase behavior for two rod lengths. Short rods can connect only two minima of the substrate potential. Long rods are able to connect many potential minima. Under the influence of the substrate, the short needles form disconnected clusters located between two potential minima. The orientations of the clusters are aligned with the symmetry directions of the potential. Through the formation of clusters the quasi-nematic order gets destroyed. At high densities and high potential strengths a nematic order can be frozen in. Long needles also form clusters under the influence of the substrate potential. In contrast to the short needles the clusters are not disconnected but are able to share a few minima. The clusters form lines which are oriented along the symmetry directions of the potential. In this way, a nematic phase can be stabilized. The distances between the lines follow two interwoven Fibonacci sequences. At low densities the needles form small regions of clusters oriented along different symmetry directions of the substrate. This non-nematic decagonal phase can also be frozen in at high densities and high potential strengths. Similar to the short needles the short spherocylinders form disconnected clusters under the influence of the potential at low densities. Due to their finite width the system becomes crowed with increasing density. The directional order decreases significantly and finally the preferred directions of the clusters shift against the symmetry directions of the potential at high densities. At sufficiently high potential strengths the long spherocylinders order themselves onto lines. The positional order is very weak and gets lost at high densities. The long spherocylinders remain in a decagonal directional order even for high densities. We also investigate the mobility of the spherocylinders with kinetic Monte Carlo simulations. With increasing potential strength the short spherocylinders get trapped at their minimum positions. In more dense systems the mobility of the short rods rises. In contrast to short spherocylinders the long spherocylinders can slide along the lines connecting the potential minima. This results in a high mobility of the long rods even at high potential strengths.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39370
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3857
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3560
Exam Date: 20-Dec-2012
Issue Date: 22-Apr-2013
Date Available: 22-Apr-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Oberflächen
Quasikristall
Selbstorganisation
Quasicrystal
Self-assembly
Surfaces
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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