Dynamic processes in nonequilibrium liquid-solid systems are studied over mesoscopic time scales and atomistic length scales using phase-field crystal (PFC) models. Various freezing and melting transitions are examined in two and three dimensions, and microscopic phenomena responsible for solid-phase plasticity are investigated. A primary focus is on the issue of describing atomistic dynamics over time scales that are generally inaccessible to conventional approaches. Glass forming dynamics in supercooled liquids near a glass transition are studied numerically, and the central features of the transition, including a number of behaviors previously undemonstrated within PFC / classical density functional theory simulations, are successfully reproduced. A connection between the liquid dynamic correlation length and transition fragility is identified, and a physically motivated time scaling applied to the simulation data is shown to generate qualitative agreement with basic glass transition phenomenology across 12 orders of magnitude in time. The competing processes of amorphous precursor nucleation and crystallization in diffusion-dominated spinodal and non-spinodal simple liquids are also examined. Melting and premelting transitions in defected body-centered cubic solids are studied numerically, and a localized melting theory based on defect elastic energies is formulated. Basic features of the dynamic phase separation patterns that develop in growing heteroepitaxially strained alloy films are also outlined based on numerical simulations of a binary PFC model. Finally, dislocation dynamics are examined in strained periodic systems. The central features of dislocation glide, climb, and annihilation are shown to naturally emerge within PFC models, and the dynamics of individual dislocations are found to reduce to a simple generalized equation of motion. / Des procédés dynamiques dans des systèmes liquide-solide non-équilibrés sont étudiés au cours d'échelles de temps mésoscopiques et d'échelles de longueur atomistiques en utilisant des modèles « phase-field crystal » (PFC). Diverses transitions de congélation et de fusion sont examinées en deux et trois dimensions, et les phénomènes microscopiques responsables de la plasticité des phases solides sont étudiées. Un accent est mis sur la problématique des dynamiques atomistiques au cours d'échelles de temps qui sont généralement inaccessibles aux approches conventionnelles. Les dynamiques de formation vitreuse dans les liquides metastables surfondus près d'une transition vitreuse sont étudiés numériquement, et les caractéristiques centrales de la transition, y compris un certain nombre de comportements qui n'ont pas été démontrées précédemment par les modèles PFC / simulations de la théorie classique densité fonctionnelle, sont reproduites avec succès. Un lien entre la longueur de corrélation dynamique liquide et la fragilité est identifié, et il est démontré par une normalisation de temps physiquement motivé, appliquée aux données de simulation, qu'il y a une correspondance qualitative avec des bases phénomènes de transition vitreuse sur 12 ordres de grandeurs de temps. Les procédés concurrentiels de la nucléation de précurseurs amorphes et de la cristallisation dominées par la diffusion dans les liquides simples spinodaux et non-spinodaux sont aussi examinés. Les transitions de fusion et pré-fusion dans des solides cubiques centrés ayant des défauts sont étudiés numériquement, et une théorie de fusion localisée basée sur les énergies élastiques des défauts est formulée. Des caractéristiques de base des motifs de la séparation de phase dynamique qui se développent pendant la croissance des films tendus heteroepitaxiellement sont également etudiés en utilisant des simulations numériques d'un modèle binaire PFC. Enfin, les dynamiques des dislocations sont examinées dans les systèmes périodiques tendus, ainsi il est démontré que les caractéristiques fondamentales des procédés de glisse, d'escalade, et d'annihilation émergent naturellement des modèles PFC.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106330 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Berry, Joel |
| Contributors | Martin Grant (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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