Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Synchrotronstrahlung enthüllt "Strickmuster" ultradünner Schichten

16.03.2004


Max-Planck-Materialwissenschaftler haben erstmals die atomare Struktur ultradünner Aluminiumoxydschichten entschlüsselt / Große Relevanz für neue Technologien


Abb. 1: Komplexes Beugungsbild niederenergetischer Elektronen nach Oxidation von NiAl(110). Die mit dieser und anderen Methoden gewonnenen Informationen reichen nicht aus, um die Struktur der entstehenden, nur zwei Atomlagen dicken Schichten aus Alumuniumoxyd präzise zu beschreiben.
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung


Abb. 2 (oben): Seitenansicht einer Aluminiumoxydschicht (Al2O3) auf der Legierung Nickelaluminium NiAl(110). Die grünen bzw. großen roten Kugeln sind Nickel- bzw. Aluminium-Atome des NiAl-Substrats, die blauen Kugeln Sauerstoffionen, und die kleinen orangen und roten Kugeln verdeutlichen Aluminium-Ionen der Oxidschicht.

Abb. 3 (unten): Draufsicht auf eine Zwillingskorngrenze in einer ultradünnen Aluminiumoxidschicht auf der intermetallischen Legierung NiAl(110). Die Einheitszellen der Oxydschicht bzw. des NiAl-Substrats sind als großes bzw. kleines Rechteck eingezeichnet.
Bilder: Max-Planck-Institut für Metallforschung



Aluminiumoxyd, ein scheinbar unwichtiges weißes Pulver, könnte als ultradünne keramische Schicht eine Schlüsselrolle bei Hightech-Anwendungen spielen, die vom Wärme- und Korrosionsschutz in der Luft- und Raumfahrt über Hochleistungskatalysatoren in der Chemie bis hin zu neuartigen Computerspeichern reichen. Voraussetzung dafür ist aber die genaue Kenntnis der atomaren Schichtstruktur, die man bis heute nicht aufklären konnte. Doch jetzt ist es Andreas Stierle und seinen Kollegen am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart erstmals gelungen, die Struktur kristalliner, nur einen halben Nanometer dicker Aluminiumoxyd-Schichten zu entschlüsseln (Science, 12. März 2004). Der Durchbruch gelang nach vier Jahren intensiver Forschung mit hochbrillanter Synchrotronstrahlung am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle (ESRF) in Grenoble, Frankreich. Damit können Probleme, die dieses Material noch im Wege stehen, gezielter untersucht und behoben werden.



Ultradünne Schichten aus Aluminiumoxyd erzeugt man durch thermische Oxidation eines Nickelaluminium-Einkristalls einer bestimmten Orientierung Die Schichten bestehen aus lediglich zwei Atomlagen Sauerstoff- und Aluminiumionen, die gegenüber der Volumenstruktur eine stark verzerrte Konstellation einnehmen: Die Schicht wird durch das Substrat stark verzerrt, ähnlich einem Strickmuster, an dem man zieht. Trotz jahrelanger intensiver Forschungen war man bisher nicht in der Lage, die atomare Struktur dieser ultradünnen Schichten sowie ihre Bindung auf Metallunterlagen (Substrat) zu entschlüsseln. Doch erst diese Kenntnisse ermöglichen es, auf ihre Eigenschaften und speziell auf ihr Haftungsverhalten auf einer (metallischen) Unterlage zu schließen.

Vier Jahre lang haben die Forscher des Max-Planck-Instituts für Metallforschung an der Entschlüsselung dieser Struktur gearbeitet. Das war deshalb so schwierig, weil es für Aluminiumoxyd mehr als ein Dutzend mögliche Strukturvarianten gibt. Die Schichtstruktur zu simulieren, übersteigt die Rechenkapazität selbst der modernsten Rechner. Zudem braucht man weitergehende Informationen, als traditionelle Methoden der Oberflächenanalyse - wie die Rastertunnelmikroskopie oder die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) - liefern können. Andreas Stierle, einer an der Strukturaufklärung beteiligten Max-Planck-Wissenschaftler, betont: "Nur mit hochbrillanter Synchrotonstrahlung ist man derzeit den Anforderungen gewachsen, derart komplexe Materialstrukturen aufklären zu können. Diese laserartig fokussierte Röntgenstrahlung ermöglicht es, sowohl die Oberfläche und den inneren Aufbaus der Schicht als auch ihre Grenzfläche zur Unterlage zu entschlüsseln."

In aufwändigen Messungen, durchgeführt am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg und an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble, Frankreich, stellten die Forscher schließlich fest, dass die ultradünnen Schichten eine dem k-Aluminiumoxyd ähnliche Struktur aufweisen. Darüber hinaus zeigte das atomare "Strickmuster" der Schicht, dass einige Sauerstoff-Ionen (Abbildung 2, gelb markiert) - wie die Zähne eines "Reißverschlusses" - für eine regelmäßige Kopplung der Schicht auf der Unterlage sorgen. Die Wechselwirkungen der Schicht mit dem Substrat bedingen - in Verbindung mit den verzerrten Lagen - die hohe Stabilität der Aluminiumoxyd-Struktur.

Zudem wurde deutlich, dass so genannte Domänen-Strukturen einen entscheidenden Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften solcher Schichten haben und damit künftige Anwendungen wesentlich beeinflussen. Abbildung 3 zeigt das Modell einer so genannten Zwillingskorngrenze. Diese Domänen beeinflussen beispielsweise, auf welche Weise Metallpartikel auf der Schichtoberfläche anwachsen können - wichtig zum Beispiel für Träger neuer Katalysatoren oder für die elektronischen Eigenschaften solcher Schichten.

Aus der jetzt aufgeklärten Struktur können Materialwissenschaftler und -entwickler von der Natur lernen: Dank der genauen Kenntnis solcher sich selbst organisierender Strukturen dünner Schichten kann man zum einen besser vorhersagen, wie sich solche Schichten in konkreten Anwendungen verhalten und zum anderen Materialien und Strukturen mit gewünschten Eigenschaften gezielter herstellen. Ultradünne Schichten aus Aluminiumoxyd könnten als hochtemperaturbeständige keramische Schichten für den Korrosionsschutz von Metalllegierungen eingesetzt werden, zum Beispiel in neuen Flugzeugturbinen oder in Raketenmotoren. Auch gelten diese Schichten als eines der am erfolgversprechendsten Ausgangssysteme für neue Modellkatalysatoren, die man für eine Chemie ohne unerwünschte oder schädliche Nebenprodukte benötigt. Darüber hinaus bieten ultradünne Schichten aus Aluminiumoxid auch Anwendungspotenzial für neuartige Permanent-Speichersysteme in der Computertechnik.

Originalveröffentlichung:

Stierle, F. Renner, R. Streitel, H. Dosch
X-ray Diffraction Study

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Andreas Stierle
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Tel.: 0711 689-1842
Fax: 0711 689-1902
E-Mail: stierle@mf.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Metamaterial: Kettenhemd inspiriert Physiker
19.01.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Additiv gefertigte Verklammerungsstrukturen verbessern Schichthaftung und Anbindung
19.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flashmob der Moleküle

19.01.2017 | Physik Astronomie

Tollwutviren zeigen Verschaltungen im gläsernen Gehirn

19.01.2017 | Medizin Gesundheit

Fraunhofer-Institute entwickeln zerstörungsfreie Qualitätsprüfung für Hybridgussbauteile

19.01.2017 | Verfahrenstechnologie