Eine Nanokette aus TiC-Kristalliten – Formbildung abhängig vom Glühprogramm

Wird Titancarbid im Ultrahochvakuum geglüht, so wachsen auf der gezackten Oberfläche in regelmäßigem Abstand zueinander senkrecht stehende „Nadeln“. Dr. rer.nat. Jens Günster, Institut für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal, Dr. M. Baxendale, Departement of Physics & Astronomy, Universität London, und Dr. S. Otani und Prof. R. Souda vom japanischen Forschungszentrum für anorganische Materialien, NIRIM, haben die Gründe für das Wachstum dieser Nanostrukturen untersucht. In der Oktoberausgabe der Zeitschrift Surface Science Letters, Vol 494/1, pp L781-L786, legen sie ihre Ergebnisse vor.

Die Nanostrukuren wachsen nach einem stufenartig gesteigerten Glühprogramm von 2400 K und sodann 2500 K aus den Ecken der schräg gestellten TiC-Kristalle auf der TiC (111) Oberfläche heraus. Zunächst bildet sich bei Temperaturen von ca. 2200 K an der Oberfläche eine Graphithaut aus dem sich zersetzenden Ausgangsmaterial. Diese Graphithaut ist sehr temperaturbeständig und unterdrückt eine weitere Zersetzung des TiC Kristalls. Bei 2400 Kelvin bilden sich dann auf den Kanten der TiC-Kristallite nanogroße Titantropfen. Die Graphithaut kann sich an den Kanten nur fehlerhaft ausbilden. Durch die defekte Graphithaut gelangt Ti aus dem sich zersetzenden Ausgangsmaterial an die Oberfläche.

Wie kommt es zu diesen Formen? Ein zerschnittener Einkristall besitzt Restspannungen an der Oberfläche. Existiert eine Oberfläche mit geringerer Restspannung und sind die Atome im nahen Oberflächenbereich beweglich, so kann nach dem Schneiden spontan eine zunächst glatte Oberfläche aufrauhen und in eine kantige Struktur umwandeln. Auf diese Weise minimiert der Kristall seine Oberflächenspannung. Die Titan- und Kohlenstoffatome stehen „in Reih und Glied“ schräg zur Oberfläche. Die für die Umstrukturierung nötige Beweglichkeit der Atome wird in dem vorliegenden Experiment durch ein Erwärmen des Kristalls erreicht.

Auf den Spitzen der gezackten Oberfläche bildet sich bei einer Erhitzung auf 2500 K eine zusätzliche Struktur. In ihrer einfachsten Form sind es Ketten von Nanopartikeln, die senkrecht zur Oberfläche stehen. DieTiC-Kristalle, eingeschlossen von einer Graphithaut, sind untereinander mit Nanoröhren verbunden. Jedes dieser Röhrchen weist einen Durchmesser von ca. 25 Nanometer auf. Die Außenhaut besteht aus Kohlenstoff, der Innenkern aus Titancarbid. Nach einer äußerst intensiven Glühung bilden sich fein verästelte Nanostäbe, bis sich schließlich bei einer weiteren Steigerung der Heizrate und der Temperatur größere und gröbere, verschlungene Formen ausbilden.

An den Endspitzen der Nanofäden fehlt oft die einhüllende Graphithaut. Dies legt den Schluss nahe, dass durch die Nanoröhrchen von dem unterliegenden Kristall bei der hohen Glühtemperatur ein Stofffluss erfolgt. Im Detail sind noch viele Fragen offen. Die Wissenschaftler erwarten, dass diese Strukturen technischen Einsatz in der Mikromechanik oder Mikroelektronik finden könnten.

Weitere Informationen:
Dr. rer. nat. Jens Günster,
Institut für Nichtmetallische Werkstoffe der TU Clausthal
Zehntnerstraße 2a
Tel.: 05323 72-2612
E-Mail: Jens.Guenster@tu-clausthal.de