Nanokristalline Materialien

Nanokristalline Materialien

NM sind seit den 80er Jahren aktueller Gegenstand grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung. Sie bestehen aus Polykristallen mit Kristallitgrößen im Bereich einiger Nanometer (2 – 50 nm). Die kleine Kristallitgröße bewirkt, dass der Anteil der Atome in den Korngrenzen vergleichbar wird mit dem der regulär angeordneten Atome innerhalb der Körner. In den Korngrenzen ist die atomare Dichte und die Koordination der Atome, d.h. die Anzahl nächster Nachbaratome, lokal verändert.

Allerdings handelt es sich bei dem nanokristallinen Zustand um keinen thermodynamischen Gleichgewichtszustand. Die einzelnen Kristallite können auf Kosten der Korngrenzen wachsen. Dieser Rekristallisationsprozeß wird durch höhere Temperatur und größere Reinheit des Materials begünstigt.

Aufgrund des hohen Anteils an Korngrenzen zeigen nanokristalline Materialien im Vergleich zu gewöhnlichen Polykristallen veränderte Eigenschaften, z.B.:

  • Löslichkeitsverhalten von Wasserstoff
  • Diffusionsverhalten von Wasserstoff
  • Sättigungsmagnetisierung und ferromagnetische Übergangstemperatur von Eisen
  • Spezifische Wärmekapazität
  • Elastische Konstanten

Mit dem Wasserstoff als einer Art Sonde lassen sich die zahlreichen Korngrenzen untersuchen und daraus Modelle zum Verständnis einiger der oben genannten Eigenschaften ableiten.

Herstellung

Zur Herstellung stehen verschiedene Methoden zur Verfügung:

  • Edelgaskondensation (Inert Gas Condensation, IGC)
  • Mechanisches Mahlen (Mechanical Milling, MM)
  • Gepulste Elektrodeposition (Pulsed Electrodeposition, PED)

Mit der Methode des Mechanischen Mahlens lassen sich in relativ kurzer Zeit relativ große Mengen NM herstellen. Dabei wird das polykristalline Ausgangsmaterial (meist Pulver) über mehrere Stunden hinweg von Mahlkugeln in einem Mahlbehälter aus gehärtetem Stahl oder Wolframcarbid bearbeitet. In die Probe wird dadurch eine hohe Dichte von Grenzflächen, Versetzungen und Fehlstellen induziert. Abhängig von der Größe der so zugeführten Energie und dem gewählten Probenmaterial können sowohl nanokristalline als auch amorphe Strukturen resultieren. Mittels röntgendiffraktometrischer Untersuchungen kann anschließend die Korngröße bzw. die Amorphisation festgestellt werden.

Neben dem reinen Mahlvorgang besteht jedoch noch die technisch sehr bedeutsame Möglichkeit, durch gleichzeitiges Mahlen mehrerer Ausgangselemente neuartige, konventionell nicht herstellbare Legierungen zu produzieren.

Mit einer hochenergetischen Kugelmühle der Firma SPEX wurden Untersuchungen an Palladium und Palladium/Silber Legierungen durchgeführt.

Charakterisierung

Benutzte Methoden sind Röntgendiffraktometrie (X-Ray Diffraction, XRD) und Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS). Aus den Röntgenstreudaten, die an einem Diffraktometer gewonnen werden, lassen sich sowohl Ausagen über die Korngröße als auch über die Verspannungen des Kristallgitters treffen. Die Meßgrößen sind hierbei die Verbreiterungen der Streupeaks NM gegenüber polykristallinem Material.

Die Untersuchung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens und der Wasserstofflöslichkeit erfolgt mit folgenden Methoden:

  • Quasielastischer und Inelastischer Neutronenstreuung (QENS, IENS)
  • Innerer Reibung (Internal Friction, IF)
  • Absorption aus der Gasphase