In this PhD research the liquid-liquid phase separation phenomena in Gd-based alloys was investigated in terms of phase equilibria, microstructure formation upon quenching the melt and corresponding magnetic properties of phase-separated metallic glasses. The phase diagrams of the binary subsystems Gd-Zr and Gd-Ti were experimentally reassessed. Especially the phase equilibria with the liquid phase could be determined directly by combining in situ high energy synchrotron X-ray diffraction with electrostatic levitation of the melt. The Gd-Zr system is of eutectic type with a metastable miscibility gap. The eutectic composition at 18 ± 2 at.% Zr, the liquidus line and the coexistence of bcc-Zr and bcc-Gd at elevated temperature could be determined. The Gd-Ti system is a monotectic system. The experimental observations in this work led to improved new Gd-Zr and Gd-Ti phase diagrams. The phase equilibria of the ternary Gd-Ti-Co system were analyzed for two alloy compositions. The XRD patterns for molten Gd35Ti35Co30 gave direct evidence for the coexistence of two liquid phases formed by liquid-liquid phase separation. The first experimental and thermodynamic assessment of the ternary Gd–Ti–Co system revealed that the stable miscibility gap of binary Gd–Ti extends into the ternary Gd–Ti–Co system (up to about 30 at.% Co). New phase-separated metallic glasses were synthesized in Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti or Zr) alloys. The microstructure was characterized in terms of composition and cooling rate dependence of phase separation. Due to large positive enthalpy of mixing between Gd on the one side and Hf, Ti or Zr on the other side, the alloys undergo liquid-liquid phase separation during rapid quenching the melt. The parameters determining the microstructure development during phase separation are the thermodynamic properties of the liquid phase, kinetic parameters and quenching conditions. By controlling these parameters and conditions the microstructure can be tailored both at microscopic and macroscopic length scales. This includes either droplet-like or interconnected microstructures at the microscopic level and glass-glass or glass-crystalline composites at the macroscopic level. Essential parameter for the quenched in microstructure is the temperature dependence of liquid-liquid phase separation, which is determined by the chemical composition of the alloy: on the one hand, earlier and/or later stages of spinodal decomposition or almost homogeneous glassy states are obtained if the critical temperature of miscibility gap Tc is close to the glass transition temperature Tg; and on the one hand, coarsening and secondary precipitations of the liquids are obtained if Tc is much higher than Tg. Finally, the influence of the microstructure developed by phase separation on their magnetic properties had been investigated. The saturation magnetization σS depends on the overall amount of Gd atoms in the alloys and is not remarkably affected by phase separation processes. The Curie temperature TCurie of the magnetic transition is influenced by the changed chemical composition of the Gd-rich glassy phases compared to that of monolithic Gd-Co-Al glasses. / In dieser Doktorarbeit wurde die flüssig-flüssig Phasenentmischung von Gd-basierten Legierungen hinsichtlich der Phasengleichgewichte, der Gefügeentwicklung während der Schmelzabschreckung und dazugehöriger magnetischer Eigenschaften, untersucht. Die Zustandsdiagramme der binären Untersysteme Gd-Zr undGd-Ti wurden experimentell ermittelt.. Insbesondere konnten die Phasengleichgewichte mit der flüssigen Phase mittels in-situ Röntgenbeugungsmessunngen an elektrostatisch levitierten Schmelzen direkt, bestimmt werden. Das Gd-Zr System stellt ein ein eutektisches Phasendiagram dar und besitzt eine metastabile Mischungslücke. Die eutektische Zusammensetzung wurde mit 18 ± 2 at.%Zr bestimmt und der Verlauf der Liquiduslinie bei erhöhten Temperaturen wurde experimentell ermittelt. Experimentell wurde die Koexistenz von kubisch-raumzentrierten Zr und Gd in einem Bereich bei hohen Temperaturen nachgewiesen. Das Gd-Ti-System ist von monotektischer Art. Die experimentellen Beobachtungen dieser Arbeit trugen wesentlich zur Verbesserung der Beschreibung der Phasendiagaramme Gd-Zr- und Gd-Ti-Phasenbei. Die Phasengleichgewichte des ternären Gd-Ti-Co-Systems wurde anhand zweier Legierungszusammensetzungen untersucht. Die Röntgenbeugungsdiffraktogramme der geschmolzenen Legiereung Gd35Ti35Co30 sind ein direkter Beleg für die Koexistenz zweier flüssiger Phasen, aufgrund der flüssig-flüssig Phasenentmischung. Die erste experimentelle und thermodynamische Auswertung des ternären Gd-Ti-Co-Systems zeigt, dass sich die stabile Mischungslücke des binären Gd-Ti-Systems ins ternäre Gd-Ti-Co-System bis zu ungefähr 30 at.% Co erstreckt. Es wurden neue Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti oder Zr)-basierte metallische Gläser, die separierte Phasen besitzen, hergestellt. Ihr Gefüge wurden hinsichtlich Zusammensetzung- und Abkühlratenabhängigkeit der Phasenentmischung charakterisiert. Aufgrund der großen positiven Mischungsenthalpie zwischen Gd auf der einen und Hf, Ti oder Zr auf der anderen Seite, weisen diese Legierungen eine flüssig-flüssig Phasenentmischung während der Abschreckung aus der Schmelze auf. Die Einflussgrößen, die die Gefügeentwicklung während der Phasenentmischung bestimmen, sind die thermodynamischen Eigenschaften der flüssigen Phase, die kinetische Parameter und die Abschreckbedingungen. Indem diese Parameter und Bedingungen kontrolliert werden, kann das Gefüge auf makro- sowie mikroskopischer Längenskala maßgeschneidert werden. Dies beinhaltet entweder tropfenförmige oder miteinander verbundene Gefüge auf einer mikroskopischen Skala und Glas-Glas oder Glas-Kristall Komposite auf einer makroskopischen Längenskala. Ein wesentlicher Parameter für das abgeschreckte Gefüge ist die Temperatur-Abhängigkeit der flüssig-flüssig Phasenentmischung, die durch die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt wird. Frühere und/oder spätere Stadien der spinodalen Entmischung oder nahezu homogene amorphe Zustände können abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen kritischer Temperatur der flüssig-flüssig Phasenentmischung und der Glasübergangstemperatur erhalten werden. Wenn die kritische Temperatur der Mischungslücke, Tc, viel höher ist als die des Glasübergangs, Tg, können makroskopische Vergröberungen der tropfenförmigen Verteilung der flüssigen Phase und sekundäre flüssige oder kristalline Ausscheidungen in den gebildeten amorphen Phasen erhalten werden. Durch die Phasenentmischung und die erhaltenen heterogenen Gefüge werden die magnetischen Eigenschaften beeinflusst.. Die Sättigungsmagnetisierung,σS, hängt von der gesamten Anzahl der Gd-Atome der Legierung ab und wird nicht bemerkenswert vom Phasenentmischungsprozess beeinflusst. Die Curie Temperatur TCurie wird im Vergleich zu monolithischen Gd-Co-Al Gläsern, und abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Gd-reichen Phase, verändert.

In this PhD research the liquid-liquid phase separation phenomena in Gd-based alloys was investigated in terms of phase equilibria, microstructure formation upon quenching the melt and corresponding magnetic properties of phase-separated metallic glasses. The phase diagrams of the binary subsystems Gd-Zr and Gd-Ti were experimentally reassessed. Especially the phase equilibria with the liquid phase could be determined directly by combining in situ high energy synchrotron X-ray diffraction with electrostatic levitation of the melt. The Gd-Zr system is of eutectic type with a metastable miscibility gap. The eutectic composition at 18 ± 2 at.% Zr, the liquidus line and the coexistence of bcc-Zr and bcc-Gd at elevated temperature could be determined. The Gd-Ti system is a monotectic system. The experimental observations in this work led to improved new Gd-Zr and Gd-Ti phase diagrams. The phase equilibria of the ternary Gd-Ti-Co system were analyzed for two alloy compositions. The XRD patterns for molten Gd35Ti35Co30 gave direct evidence for the coexistence of two liquid phases formed by liquid-liquid phase separation. The first experimental and thermodynamic assessment of the ternary Gd–Ti–Co system revealed that the stable miscibility gap of binary Gd–Ti extends into the ternary Gd–Ti–Co system (up to about 30 at.% Co). New phase-separated metallic glasses were synthesized in Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti or Zr) alloys. The microstructure was characterized in terms of composition and cooling rate dependence of phase separation. Due to large positive enthalpy of mixing between Gd on the one side and Hf, Ti or Zr on the other side, the alloys undergo liquid-liquid phase separation during rapid quenching the melt. The parameters determining the microstructure development during phase separation are the thermodynamic properties of the liquid phase, kinetic parameters and quenching conditions. By controlling these parameters and conditions the microstructure can be tailored both at microscopic and macroscopic length scales. This includes either droplet-like or interconnected microstructures at the microscopic level and glass-glass or glass-crystalline composites at the macroscopic level. Essential parameter for the quenched in microstructure is the temperature dependence of liquid-liquid phase separation, which is determined by the chemical composition of the alloy: on the one hand, earlier and/or later stages of spinodal decomposition or almost homogeneous glassy states are obtained if the critical temperature of miscibility gap Tc is close to the glass transition temperature Tg; and on the one hand, coarsening and secondary precipitations of the liquids are obtained if Tc is much higher than Tg. Finally, the influence of the microstructure developed by phase separation on their magnetic properties had been investigated. The saturation magnetization σS depends on the overall amount of Gd atoms in the alloys and is not remarkably affected by phase separation processes. The Curie temperature TCurie of the magnetic transition is influenced by the changed chemical composition of the Gd-rich glassy phases compared to that of monolithic Gd-Co-Al glasses. / In dieser Doktorarbeit wurde die flüssig-flüssig Phasenentmischung von Gd-basierten Legierungen hinsichtlich der Phasengleichgewichte, der Gefügeentwicklung während der Schmelzabschreckung und dazugehöriger magnetischer Eigenschaften, untersucht. Die Zustandsdiagramme der binären Untersysteme Gd-Zr undGd-Ti wurden experimentell ermittelt.. Insbesondere konnten die Phasengleichgewichte mit der flüssigen Phase mittels in-situ Röntgenbeugungsmessunngen an elektrostatisch levitierten Schmelzen direkt, bestimmt werden. Das Gd-Zr System stellt ein ein eutektisches Phasendiagram dar und besitzt eine metastabile Mischungslücke. Die eutektische Zusammensetzung wurde mit 18 ± 2 at.%Zr bestimmt und der Verlauf der Liquiduslinie bei erhöhten Temperaturen wurde experimentell ermittelt. Experimentell wurde die Koexistenz von kubisch-raumzentrierten Zr und Gd in einem Bereich bei hohen Temperaturen nachgewiesen. Das Gd-Ti-System ist von monotektischer Art. Die experimentellen Beobachtungen dieser Arbeit trugen wesentlich zur Verbesserung der Beschreibung der Phasendiagaramme Gd-Zr- und Gd-Ti-Phasenbei. Die Phasengleichgewichte des ternären Gd-Ti-Co-Systems wurde anhand zweier Legierungszusammensetzungen untersucht. Die Röntgenbeugungsdiffraktogramme der geschmolzenen Legiereung Gd35Ti35Co30 sind ein direkter Beleg für die Koexistenz zweier flüssiger Phasen, aufgrund der flüssig-flüssig Phasenentmischung. Die erste experimentelle und thermodynamische Auswertung des ternären Gd-Ti-Co-Systems zeigt, dass sich die stabile Mischungslücke des binären Gd-Ti-Systems ins ternäre Gd-Ti-Co-System bis zu ungefähr 30 at.% Co erstreckt. Es wurden neue Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti oder Zr)-basierte metallische Gläser, die separierte Phasen besitzen, hergestellt. Ihr Gefüge wurden hinsichtlich Zusammensetzung- und Abkühlratenabhängigkeit der Phasenentmischung charakterisiert. Aufgrund der großen positiven Mischungsenthalpie zwischen Gd auf der einen und Hf, Ti oder Zr auf der anderen Seite, weisen diese Legierungen eine flüssig-flüssig Phasenentmischung während der Abschreckung aus der Schmelze auf. Die Einflussgrößen, die die Gefügeentwicklung während der Phasenentmischung bestimmen, sind die thermodynamischen Eigenschaften der flüssigen Phase, die kinetische Parameter und die Abschreckbedingungen. Indem diese Parameter und Bedingungen kontrolliert werden, kann das Gefüge auf makro- sowie mikroskopischer Längenskala maßgeschneidert werden. Dies beinhaltet entweder tropfenförmige oder miteinander verbundene Gefüge auf einer mikroskopischen Skala und Glas-Glas oder Glas-Kristall Komposite auf einer makroskopischen Längenskala. Ein wesentlicher Parameter für das abgeschreckte Gefüge ist die Temperatur-Abhängigkeit der flüssig-flüssig Phasenentmischung, die durch die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt wird. Frühere und/oder spätere Stadien der spinodalen Entmischung oder nahezu homogene amorphe Zustände können abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen kritischer Temperatur der flüssig-flüssig Phasenentmischung und der Glasübergangstemperatur erhalten werden. Wenn die kritische Temperatur der Mischungslücke, Tc, viel höher ist als die des Glasübergangs, Tg, können makroskopische Vergröberungen der tropfenförmigen Verteilung der flüssigen Phase und sekundäre flüssige oder kristalline Ausscheidungen in den gebildeten amorphen Phasen erhalten werden. Durch die Phasenentmischung und die erhaltenen heterogenen Gefüge werden die magnetischen Eigenschaften beeinflusst.. Die Sättigungsmagnetisierung,σS, hängt von der gesamten Anzahl der Gd-Atome der Legierung ab und wird nicht bemerkenswert vom Phasenentmischungsprozess beeinflusst. Die Curie Temperatur TCurie wird im Vergleich zu monolithischen Gd-Co-Al Gläsern, und abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Gd-reichen Phase, verändert.

This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.

This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.