Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanostrukturen erstmals in 3D

21.02.2006


Die Abbildung zeigt die 3D-Gradienten der kristallographischen Orientierung in einem intermetallischen Eisen-Aluminium-Kristall (Gitterkrümmung) in der unmittelbaren Umgebung einer sehr harten Laves-Phase (als transparentes Netz dargestellt). Die Farbabstufungen beschreiben jeweils eine Zunahme der Orientierungsänderungen zum Bezugspunkt an der Grenzfläche zwischen Matrix und Laves-Phase in Schritten von zwei Grad. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung


Düsseldorfer Max-Planck-Forscher präsentieren erstes dreidimensionales Elektronenmikroskop zur Strukturuntersuchung von Nanomaterialien


In der Abteilung Mikrostrukturphysik und Umformtechnik des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf wurde das weltweit erste Elektronenmikroskop eingeführt und in Betrieb genommen, mit dem man gleichzeitig und automatisiert den Phasengehalt, die Textur und die Grenzflächen von Materialien in drei Dimensionen untersuchen kann. Das Gerät besteht aus einem Höchstauflösungs-Rasterelektronenmikroskop und einem Ionen- bzw. Atommikroskop. Die beiden bisher in der Forschung getrennt genutzten Mikroskope sind nun zu einem einzigen neuen leistungsfähigen Instrument integriert (ZEISS 1540 XB), das zudem über ein umfangreiches Arsenal an Detektoren für die Messung von Beugungsmustern zur Orientierungsbestimmung und zur chemischen Analyse verfügt. Diese 3D-Technik erlaubt Einblicke in die Mikrostruktur von Nanomaterialien, biologischen Werkstoffen oder auch von höchstfesten Stählen, wie sie von anderen Mikroskopie-Verfahren nicht geliefert werden können (Acta Materialia 54 (2006) 1369).

Für die Materialwissenschaften ist die Möglichkeit, Mikrostrukturen dreidimensional untersuchen zu können, von großer Bedeutung. Dazu gibt es heute zwei Herangehensweisen: Zum einen untersucht man Materialien mit Hilfe von Röntgen-, Elektronen- oder Neutronen-Strahlung. Diese Methoden sind nicht-destruktiv und aus den gewonnenen Bildern kann man die dreidimensionale Struktur rekonstruieren. Von Nachteil ist, dass diese Methoden zu wenig Informationen, speziell bei kristallinen Materialien liefern und zeitaufwändig sind. Darüber hinaus sind sie in der Ortsauflösung gegenwärtig um etwa zwei Größenordnungen schlechter als das hier vorgestellt elektronenmikroskopische 3D-Verfahren (ca. 40 Kubik-Nanometer).


Der zweite Ansatz besteht darin, das Material scheibchenweise aufzunehmen und die gewonnenen Informationen dann in drei Dimensionen tomographisch zu rekonstruieren. Das dreidimensionale Messprinzip des neuen Mikroskops besteht darin, dass man mit dem Elektronenmikroskop zunächst eine zweidimensionale Abbildung mit der gewünschten kristallographischen oder chemischen Methode durchführt und anschließend mit dem Ionenstrahl eine Scheibe des Materials mit nanoskopischer Präzision abschneidet, so dass nun die darunter liegende Schicht analysiert werden kann. Auf diese Weise kann man Scheibe für Scheibe analysieren und abtragen, so dass am Ende ein digitales dreidimensionales Bild entsteht.

Das komplett in situ arbeitende Mikroskop arbeitet voll automatisch, so dass relativ große Regionen in einem Festkörper, beispielsweise 70 x 70 x 70 Mikrometer, untersucht werden können. Die Kombination eines automatisierten Materialabtrags mit einem hochauflösenden Mikroskop liefert ein Spektrum an kristallographischen Informationen, das die Möglichkeiten der meisten anderen Mikroskopietechniken weit übertrifft. Dazu gehört die genaue Form von eingelagerten Kristallen, Position und kristallographische Eigenschaften interner Grenzflächen, die Defektdichte in Körnern und die Textur bei sehr kleinen Abmessungen. All diese Eigenschaften können mit einer Auflösung von etwa 40 Kubik-Nanometern und materialabhängig auch weniger gemessen werden.

Konkret untersuchten die Max-Planck-Forscher um Prof. Dierk Raabe und Dr. Stefan Zaefferer Fe3Al-basierte stahlverwandte intermetallische Legierungen mit dem neuen Mikroskop. Diese zeichnen sich einerseits aus durch ihre hohe Oxidations- und Sulfidationsresistenz bei hohen Temperaturen, sind aber andererseits noch nicht ausreichend hart und homogen. Man versucht deshalb, diese Werkstoffe durch Einlagerung winziger Partikel und Hinzufügen von Chrom zu veredeln und für technische Einsätze tauglich zu machen. Der Einsatz dieser Werkstoffe zielt auf das Design neuer Hochtemperaturgasturbinen in konventionellen Kraftwerken ab, die durch diesen Werkstoff bei wesentlich höheren Wirkungsgraden als bisher arbeiten und somit die Energiekosten senken könnten. Der Betrieb von Kraftwerken würde dadurch gleichzeitig wesentlich ökologischer und verlustärmer gestaltet als bisher.

An Hand dieser sehr aktuellen Fragestellung aus dem Bereich der Energieversorgung haben Raabe und seine Mitarbeiter nun mit dem neuen Instrument untersucht, welchen Effekt die eingelagerten Partikel auf die Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften dieser stahlverwandten Legierungen haben. Besonders interessiert waren die Forscher an der Frage, wie die winzigen Einschlüsse in ihrer Umgebung die Ausrichtung des Kristallgitters der Legierung beeinflussen.

In den warmumgeformten Proben konnten sie beobachten, wie sich die weicheren Kristallorientierungen der Matrixlegierung um die harten Einlagerungen ausbildete. Die Orientierung der Kristallstrukturen um die Einlagerung nahm dabei ein spezifisches Muster an, welches sich dadurch auszeichnet, dass sich systematische Orientierungsgradienten in mehreren aufeinanderfolgenden Lagen mit zunehmendem Orientierungsabstand von der Grenzfläche zu der harten Einlagerung aufbauen. Durch diese starken kristallographischen Gradienten können in der weiteren Folge neue Kristallkeime entstehen, die das Material homogenisieren und die mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf einen Hochtemperatureinsatz in modernen Kraftwerken verbessern.


Das Projekt wurde gefördert durch die Max-Planck-Gesellschaft sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
[AT]

Originalveröffentlichung:

J. Konrad, S. Zaefferer, D. Raabe
Investigation of orientation gradients around a hard Laves particle in a warm rolled Fe3Al-based alloy by a 3D EBSD-FIB technique
Acta Materialia 54 (2006) 1369


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

Weitere Berichte zu: Elektronenmikroskop Mikroskop Mikrostruktur

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Stabile Quantenbits
08.12.2017 | Universität Konstanz

nachricht Neue Erscheinungsform magnetischer Monopole entdeckt
08.12.2017 | Institute of Science and Technology Austria

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Im Focus: Towards data storage at the single molecule level

The miniaturization of the current technology of storage media is hindered by fundamental limits of quantum mechanics. A new approach consists in using so-called spin-crossover molecules as the smallest possible storage unit. Similar to normal hard drives, these special molecules can save information via their magnetic state. A research team from Kiel University has now managed to successfully place a new class of spin-crossover molecules onto a surface and to improve the molecule’s storage capacity. The storage density of conventional hard drives could therefore theoretically be increased by more than one hundred fold. The study has been published in the scientific journal Nano Letters.

Over the past few years, the building blocks of storage media have gotten ever smaller. But further miniaturization of the current technology is hindered by...

Im Focus: Successful Mechanical Testing of Nanowires

With innovative experiments, researchers at the Helmholtz-Zentrums Geesthacht and the Technical University Hamburg unravel why tiny metallic structures are extremely strong

Light-weight and simultaneously strong – porous metallic nanomaterials promise interesting applications as, for instance, for future aeroplanes with enhanced...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Papstar entscheidet sich für tisoware

08.12.2017 | Unternehmensmeldung

Natürliches Radongas – zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs

08.12.2017 | Unternehmensmeldung

„Spionieren“ der versteckten Geometrie komplexer Netzwerke mit Hilfe von Maschinenintelligenz

08.12.2017 | Biowissenschaften Chemie