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This thesis was inspired by the discovery of Bi14Rh3I9, the first so-called weak three-dimensional topological insulator (3D-TI) and has been concerned with the topic of TIs in general. Two aspects were tackled to gain a deeper understanding of this new state of matter. On one hand, the expansion of the material’s basis and on the other hand developing a simple model of the structure and analysing it via density-functional theory (DFT) based methods. To discover new materials, a systematic investigation of the metal-rich parts of the bismuth–platinum-metal–iodine phase systems was conducted. It led to six new phases among the bismuth subiodides. Some of which, e.g. Bi14Rh3I9, share a honeycomb network of platinum-metal-centred bismuth-cubes and are the seed of a family of materials with this structural motive. The others show strand-like structures or layered structures with platinum-platinum bonds. The latter were so far unknown amongst bismuth subiodides. The honeycomb network was separately analysed and shown to host the TI properties. Structurally and electronically it can be seen as a “heavy graphene analogue”, which refers to the fact that graphene with hypothetical strong spin-orbit coupling (“heavy graphene”) was the first TI put forward by theoreticians. Apart from DFT-calculations, physical experiments confirmed the TI properties. Angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) was used to verify the electronic structure and scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM and STS) to reveal the protected 1D edge states present at the cleaving surface of this material. As the arrangement of the honeycomb layer varies between the different known and newly discovered materials within this family of structures, this influence was also investigated. All further materials were also characterised by DFT-calculations and physical experiments, e.g. magnetisation and transport measurements. This thesis might give an experimental and theoretical basis for a deeper understanding of the TI state of matter. The 1D edge states on the surface of Bi14Rh3I9 could be a chance to handle spins and therefore propel spintronic research, or they could host Majorana fermions, which could be used as qubits in quantum computing.

1. Beim feldaktivierten Sintern im Temperaturbereich von 500 bis 1000 °C fließen elektrische Ströme mit einer Dichte von 1 bis 3 A/mm². 2. Daraus folgt für die größten verwendeten Pulverteilchen mit einem Radius von 50 µm ein Strom je Teilchenkontakt von 10 bis 50 mA. 3. Die durch das Aufbringen des prozesstechnisch notwendigen Pressdruckes gebildeten relativen Kontaktradien (Kontaktradius geteilt durch Teilchenradius) haben eine Größe von 0,05 bis 0,3. 4. Die Einengung der Strompfade im Kontakt der Pulverteilchen erhöht, zusammen mit dem elektrischen Widerstand der Oxidschicht auf den Pulverteilchen, den elektrischen Widerstand des Pulverpresslings. 5. Der Stromfluss durch die Teilchenkontakte führt mit dem zusätzlichen elektrischen Widerstand dieser Teilchenkontakte zu einer lokalen Temperaturerhöhung (Übertemperatur) von 10-4 bis 1 Kelvin für Kupfer- respektive Stahlpulver. 6. Der zusätzliche elektrische Widerstand der Oxidschicht kann die Übertemperatur beim Kupferpulver auf bis zu 1 mK erhöhen. 7. Mit abnehmendem Teilchenradius sinkt die Übertemperatur quadratisch. 8. Das Wachstum der Teilchenkontakte im Verlauf der Verdichtung führt zu einer kontinuierlichen Verringerung der Übertemperatur. 9. Das Auftreten von schmelzflüssiger Phase, von Metalldampf oder von Plasma wird in den untersuchten metallischen Systemen ausgeschlossen. 10. Auch Elektromigration, Thermomigration oder andere Wirkungen des elektrischen Stromes spielen keine Rolle für die Verdichtung beim feldaktivierten Sintern. 11. Die Verwendung von gepulstem anstelle von kontinuierlichem Gleichstrom beeinflusst die Verdichtung der untersuchten Werkstoffe nicht. 12. Die Verdichtung vom Pulver zum kompakten Werkstoff findet für Pulverteilchen mit einem Radius größer als R = 10 µm über plastische Verformung durch verschiedene Formen des Kriechens statt. 13. Die Verformung ist im Anfangsstadium auf den Kontaktbereich begrenzt. 14. Bei Pulverteilen mit Teilchenradien unter R = 10 µm findet die Verdichtung zunächst als Folge von Leerstellenströmen in die Kontaktkorngrenze statt (Sintern). 15. Durch die schnelle Verdichtung bei niedriger homologer Temperatur werden Kornwachstum und Rekristallisation verringert.

In this work, the mesh-free smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is applied in the modelling of the direct laser interference patterning (DLIP) of metal surfaces. The DLIP technique allows the fabrication of periodic microstructures on technical surfaces using nanosecond laser pulses. Here, the interference of two coherent partial beams with a sinusoidal energy density distribution of the interference pattern is concerned, which is employed to generate line-like surface structures. However, the mechanisms effective during nanosecond pulsed DLIP of metals are not yet fully understood. The physical phenomena occurring due to the interaction of laser radiation with metallic materials are first considered and the governing differential equations are stated. The fundamentals of the SPH method and the approaches to the numerical treatment of the conservation equations are presented. Physical processes relevant to the modelling of laser material processing are solved by suitable SPH techniques, i.e. the approximations are verified with respect to test problems with analytical or known numerical solutions. Consequently, the SPH method is used to devise a thermal model of the DLIP process, considering the absorption of the laser radiation, the heat conduction into the workpiece and the latent heat of involved phase changes. This model is extended to compute the melt pool convection during DLIP, which is driven by surface tension gradients due to temperature gradients. For this purpose, an incompressible SPH (ISPH) method is used, representing a novel approach to the modelling of the laser-induced melt pool flow. The numerical model is employed to perform simulations of DLIP on metal substrates. Firstly, the thermal simulation of the single pulse patterning of stainless steel is in good agreement with experimental results. The application of DLIP to stainless steel and aluminium is then simulated by the comprehensive model including the melt pool flow. Moreover, this model is further extended to consider the non-linear temperature dependence of surface tension, as in liquid steel in the presence of a surface active element. The simulation results reveal a distinct behaviour of stainless steel and aluminium substrates. A markedly deeper melt pool and considerable velocity magnitudes of the thermocapillary convection at the melt surface are computed for DLIP of aluminium. In contrast, the melt pool flow is less pronounced during DLIP of stainless steel, whereas higher surface temperatures are predicted. Hence the Marangoni convection is a conceivable effective mechanism during the structuring of aluminium at moderate energy density. The different character of the melt pool convection during DLIP of stainless steel and aluminium is corroborated by experimental observations. Furthermore, the simulations for stainless steel with different sulphur content indicate distinct melt pool flow patterns and support the explanation of the microstructures found after DLIP experiments. The role of vapourisation and the induced recoil pressure in the microstructure evolution due to DLIP on metal substrates at elevated fluences could be prospectively investigated. In this regard, the consideration of the melt pool surface deformation in the ISPH algorithm, and particularly a suitable pressure boundary condition, is required.:I The research problem 1 Motivation 2 Modelling of laser material processing 2.1 Interaction of laser radiation with materials 2.1.1 Absorption of laser radiation 2.1.2 Heat conduction and phase change 2.1.3 Molten pool convection 2.1.4 Vapourisation regime 2.2 Mathematical modelling of laser material interaction 2.2.1 Conservation equations in Lagrangian formulation 2.2.2 Influence of surface tension 3 State of the art in laser microprocessing and the SPH method 3.1 Laser microprocessing 3.2 Simulation of direct laser interference patterning 3.3 The mesh-free smoothed particle hydrodynamics method 3.3.1 Fundamental approximations and kernel function 3.3.2 Particle distribution and interaction length 3.3.3 Approximation of derivatives 3.3.4 Treatment of boundaries 3.3.5 Neighbourhood search 3.4 Numerical modelling of laser material processing by SPH II SPH model development for direct laser interference patterning 4 SPH modelling of heat transfer and fluid flow 4.1 Solution of the heat diffusion equation 4.2 Formulation of equations governing fluid flow 4.2.1 Equation of continuity 4.2.2 Approximation of pressure gradient term 4.2.3 Treatment of viscosity 4.3 Weakly compressible SPH method for solving fluid flow 4.3.1 Particle motion 4.3.2 Time integration 4.3.3 Time step criteria 4.4 Incompressible SPH method for solving fluid flow 4.4.1 Time integration 4.4.2 Discrete incompressible SPH algorithm 4.4.3 Time step criteria 4.5 Simulation of thermal fluid flow using ISPH 4.5.1 Semi-implicit time integration 4.5.2 Solution of the pressure Poisson equation 5 Verification of the SPH implementation 5.1 Transient heat conduction in laser-irradiated plate 5.1.1 Problem description 5.1.2 Dimensionless formulation 5.1.3 Numerical solution and results 5.2 Viscous flow 5.2.1 Couette flow 5.2.2 Poiseuille flow 5.3 Thermal convection 5.3.1 Natural convection in a square cavity 5.3.2 Rayleigh--Marangoni--Bénard convection in liquid aluminium 6 SPH model of direct laser interference patterning 6.1 Characteristics of the process 6.2 Thermal model 6.2.1 Non-dimensionalisation 6.2.2 Numerical solution of governing equation 6.2.3 Verification of the computation 6.2.4 Numerical test 6.3 Thermofluiddynamic model 6.3.1 Non-dimensionalisation 6.3.2 Numerical solution of governing equations 6.3.3 Discretisation 6.3.4 Resolution independence study 7 SPH simulation of direct laser interference patterning 7.1 Thermal model 7.1.1 DLIP experiments on stainless steel substrates 7.1.2 Thermal simulation of DLIP on steel substrate 7.2 Thermofluiddynamic model 7.2.1 Material properties and simulation parameters 7.2.2 Numerical results for steel substrate 7.2.3 Numerical results for aluminium substrate 7.2.4 Discussion and comparison with experiments 7.3 Extended thermofluiddynamic model 7.3.1 Model parameters 7.3.2 Influence of sulphur content on DLIP of stainless steel 8 Conclusions and outlook Bibliography / In dieser Arbeit wird die direkte Laserinterferenzstrukturierung (Direct Laser Interference Patterning, DLIP) von Metallen mit der netzfreien Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode modelliert. Das DLIP-Verfahren ermöglicht die Fertigung periodischer Mikrostrukturen auf technischen Oberflächen mit Nanosekunden-Laserpulsen. Hier wird die Zweistrahlinterferenz mit einer sinusförmigen Energiedichteverteilung des Interferenzmusters behandelt, die linienförmige Oberflächenstrukturen erzeugt. Die bei der direkten Interferenzstrukturierung von Metallen mit Nanosekunden-Laserpuls wirksamen Mechanismen sind jedoch noch nicht verstanden. Die aufgrund der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit metallischen Werkstoffen auftretenden physikalischen Phänomene werden zuerst betrachtet und die sie bestimmenden Differentialgleichungen angegeben. Die Grundlagen der SPH-Methode sowie deren Herangehensweisen an die numerische Behandlung der Erhaltungsgleichungen werden vorgestellt. Für die Modellierung der Lasermaterialbearbeitung relevante physikalische Vorgänge werden mittels geeigneter SPH-Ansätze gelöst, d. h. anhand von Testproblemen mit bekannter Lösung verifiziert. Das mit SPH zunächst erstellte thermische Modell des DLIP-Prozesses berücksichtigt die Absorption der Laserstrahlung, die Wärmeleitung im Werkstück und die Enthalpien der Phasenübergänge. Das Modell wird zur Berechnung der Schmelzbadströmung bei der DLIP-Anwendung, angetrieben von Oberflächenspannungsgradienten verursacht durch Temperaturgradienten, erweitert. Hierbei wird eine inkompressible SPH (ISPH) Methode eingesetzt, in der Simulation laserinduzierter Schmelzbäder ein neuartiger Ansatz. Mit dem numerischen Modell werden Simulationen des DLIP-Verfahrens für metallische Substrate durchgeführt. Die thermische Simulation der Strukturierung von Edelstahl stimmt gut mit einem Experiment überein. Weiterhin wird die Anwendung von DLIP auf Edelstahl und Aluminium mit dem thermofluiddynamischen Modell simuliert. Außerdem wird das Modell um eine nichtlinear temperaturabhängige Oberflächenspannung, wie sie für Stahlschmelze in Anwesenheit eines oberflächenaktiven Elements vorliegt, ergänzt. Die Simulationen zeigen ein verschiedenes Verhalten von Edelstahl und Aluminium. Bei der Strukturierung von Aluminium treten ein deutlich tieferes Schmelzbad und erhebliche Geschwindigkeitsbeträge der thermokapillaren Konvektion an der Schmelzeoberfläche auf. Hingegen ist die Strömung bei der DLIP-Anwendung auf Edelstahl schwächer ausgeprägt und höhere Oberflächentemperaturen werden erreicht. Die Marangoni-Konvektion ist daher ein wirksamer Schmelzeverdrängungsmechanismus bei der Strukturierung von Aluminium mit moderater Energiedichte. Die unterschiedliche Schmelzbadströmung für die beiden Werkstoffe wird durch experimentelle Beobachtungen bestätigt. In Abhängigkeit des Schwefelgehalts von Edelstahl zeigen Simulationen verschiedene Strömungsmuster im Schmelzbad und unterstützen die Erklärung experimentell festgestellter Mikrostrukturen. Die Untersuchung der Wirkung der Verdampfung und des induzierten Rückstoßdruckes auf die Strukturausbildung bei höheren Fluenzen erfordert die Berücksichtigung der Oberflächendeformation sowie eine geeignete Druckrandbedingung im ISPH-Algorithmus.:I The research problem 1 Motivation 2 Modelling of laser material processing 2.1 Interaction of laser radiation with materials 2.1.1 Absorption of laser radiation 2.1.2 Heat conduction and phase change 2.1.3 Molten pool convection 2.1.4 Vapourisation regime 2.2 Mathematical modelling of laser material interaction 2.2.1 Conservation equations in Lagrangian formulation 2.2.2 Influence of surface tension 3 State of the art in laser microprocessing and the SPH method 3.1 Laser microprocessing 3.2 Simulation of direct laser interference patterning 3.3 The mesh-free smoothed particle hydrodynamics method 3.3.1 Fundamental approximations and kernel function 3.3.2 Particle distribution and interaction length 3.3.3 Approximation of derivatives 3.3.4 Treatment of boundaries 3.3.5 Neighbourhood search 3.4 Numerical modelling of laser material processing by SPH II SPH model development for direct laser interference patterning 4 SPH modelling of heat transfer and fluid flow 4.1 Solution of the heat diffusion equation 4.2 Formulation of equations governing fluid flow 4.2.1 Equation of continuity 4.2.2 Approximation of pressure gradient term 4.2.3 Treatment of viscosity 4.3 Weakly compressible SPH method for solving fluid flow 4.3.1 Particle motion 4.3.2 Time integration 4.3.3 Time step criteria 4.4 Incompressible SPH method for solving fluid flow 4.4.1 Time integration 4.4.2 Discrete incompressible SPH algorithm 4.4.3 Time step criteria 4.5 Simulation of thermal fluid flow using ISPH 4.5.1 Semi-implicit time integration 4.5.2 Solution of the pressure Poisson equation 5 Verification of the SPH implementation 5.1 Transient heat conduction in laser-irradiated plate 5.1.1 Problem description 5.1.2 Dimensionless formulation 5.1.3 Numerical solution and results 5.2 Viscous flow 5.2.1 Couette flow 5.2.2 Poiseuille flow 5.3 Thermal convection 5.3.1 Natural convection in a square cavity 5.3.2 Rayleigh--Marangoni--Bénard convection in liquid aluminium 6 SPH model of direct laser interference patterning 6.1 Characteristics of the process 6.2 Thermal model 6.2.1 Non-dimensionalisation 6.2.2 Numerical solution of governing equation 6.2.3 Verification of the computation 6.2.4 Numerical test 6.3 Thermofluiddynamic model 6.3.1 Non-dimensionalisation 6.3.2 Numerical solution of governing equations 6.3.3 Discretisation 6.3.4 Resolution independence study 7 SPH simulation of direct laser interference patterning 7.1 Thermal model 7.1.1 DLIP experiments on stainless steel substrates 7.1.2 Thermal simulation of DLIP on steel substrate 7.2 Thermofluiddynamic model 7.2.1 Material properties and simulation parameters 7.2.2 Numerical results for steel substrate 7.2.3 Numerical results for aluminium substrate 7.2.4 Discussion and comparison with experiments 7.3 Extended thermofluiddynamic model 7.3.1 Model parameters 7.3.2 Influence of sulphur content on DLIP of stainless steel 8 Conclusions and outlook Bibliography

In der Dissertation wurde die Möglichkeit des gemeinsamen Recycling von Bleiglas und LCD-Glas zur Gewinnung der Hauptmetalle Blei und Indium (sowie weiterer Begleitmetalle) und die Erzeugung einer wirtschaftlich verwertbaren Glasphase untersucht. Durch die Anpassung der Glaszusammensetzung über die Zugabe von Soda und Kalk, die Einstellung der Arbeitstemperatur und die Untersuchung der prozesstechnischen Erfordernisse, wie die Trennung von Schmelzvorgang und Reduktion, konnte gezeigt werden, dass Blei zu über 98% und Indium zu über 80% aus den Schrotten gewonnen werden kann. Die erzeugte Glasphase ist durch Verdünnung mit Quarz und Feineinstellung der Zusammensetzung direkt verwendbar. Durch die Reduktion des Glases und die Kreislaufführung von zugeführtem Natriumoxid konnte gezeigt werden, dass sogar höherwertige Gläser hergestellt werden können. Die durchgeführte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der beiden Verfahrensalternativen bestätigte den ökonomischen Vorteil der Kreislaufführung.

Zellulare metallische Strukturen zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und ihre komplexe geometrische Struktur aus. Dadurch ist die Bestimmung ihrer Wärmeleitfähigkeit eine komplizierte und aufwändige Messaufgabe. Für die vorliegende Arbeit wurden Materialien ausgewählt, die sich im Grundmaterial, in der Herstellungsmethode und im strukturellen Aufbau unterscheiden. Dabei wurden Materialien mit unterschiedlicher Porosität und Porengröße untersucht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde mit drei unterschiedlichen Messverfahren bestimmt. Die Messungen wurden bei normalem Druck bei Raumtemperatur und für ausgewählte Materialien bis maximal 800 °C durchgeführt. Dabei wurden die Bedingungen für die optimale Durchführung der Messungen und die Probleme jedes Verfahrens herausgearbeitet. Daraus wurden Empfehlungen für die optimale Messungsdurchführung abgeleitet. Die gewonnenen Messergebnisse wurden miteinander, mit Werten aus der Literatur und mit vorhandenen mathematischen Modellen verglichen.

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