Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rekristallisationsmechanismus produziert spiralförmige Mikrostrukturen

09.06.2017

Forscher der TU Chemnitz, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Leibniz-Institut IFW-Dresden entdecken selbstorganisierende, spiralförmige Mikrostrukturen

Kristallisation lässt sich nicht nur im größeren Maßstab in Form von Schneekristallen beobachten, sie spielt auch in vielen technologischen Bereichen eine fundamentale Rolle, darunter in der Halbleiterindustrie. Ihr Verständnis ist deshalb ein wichtiger Baustein für technologischen Fortschritt.


Rasterkraftmikroskopaufnahme der Topografie von logarithmisch kristallisiertem Germaniummangan. Der Kristallisationspfad lässt sich aufgrund der beobachteten Oberflächenstrukturen im Nachhinein rekons

TU Chemnitz, Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, Leibniz-Institut IFW-Dresden

In einer aktuellen Veröffentlichung in dem angesehenen amerikanischen „Journal of Applied Physics“ beschreiben die Wissenschaftler von der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik der Technischen Universität Chemnitz gemeinsam mit Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Leibniz-Institut IFW in Dresden einen neuen Typus der bereits seit längerer Zeit bekannten sogenannten „Explosivkristallisation“.

Der Begriff nimmt Bezug auf das reale Phänomen der Explosion, da auch hier gebundene Energie durch einen Zündfunken freigesetzt wird. Diese Form der Kristallisation betrifft amorphe, also ungeordnete, Materialien, die meist metastabil sind, das heißt vom energetischen Standpunkt aus eine höhere Energie aufweisen, aber aufgrund einer energetischen Barriere nicht direkt kristallisieren und sich damit in einen Zustand niedrigerer Energie umwandeln können. Hierzu bedarf es einer Initialzündung.

In der Untersuchung wurde eine Blitzlampe aktiviert, um einen starken Temperaturanstieg in einer dünnen Schicht Germaniummangan hervorzurufen. Hier hatten die Forscher bereits in einer anderen Untersuchung selbstorganisierende Strukturen gefunden. Kleine Störungen auf der Oberfläche nach dem Lichtimpuls verursachten sogenannte Hotspots, also Bereiche, welche durch erhöhte Energieaufnahme besonders stark erhitzt wurden und als Zündfunke für die darauffolgende Explosivkristallisation dienten.

Üblicherweise sind in diesen Fällen kreisförmige Ausdehnungen der kristallisierenden Bereiche zu erwarten. Anders jedoch im vorliegenden Materialsystem: „Es gab Zentren, von denen die Kristallisationsfront eine Vorzugsrichtung aufwies. Verantwortlich hierfür ist das Mangan, welches sich wahrscheinlich in einer extrem dünnen flüssigen Zone an der Kristallisationsfront zunehmend anreichert“, erklärt Dr. Danilo Bürger, Postdoc an der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik.

Diese flüssige Zone mit erhöhter Mangankonzentration weise eine deutlich reduzierte Schmelztemperatur auf, sodass eine kleine vorgegebene richtungsweisende Störung auf der Oberfläche ausreichen könnt, um die gerichtete Kristallisation in Gang zu setzen.

Die Besonderheit der beobachteten Mikrostruktur liegt allerdings im Verlauf der nachfolgenden gerichteten Kristallisationsfront, deren „Ecken“ die spezielle Form der sogenannten logarithmischen Spirale beschreiben. Dieser Spiraltyp besitzt besondere Eigenschaften wie die sogenannte „Selbstähnlichkeit“. Das heißt, dass logarithmische Spiralen die ihr zugrundeliegende Struktur beim hinein-/hinauszoomen nicht ändern.

Logarithmische Strukturen sind auch aus der Natur bekannt, z.B. bilden Galaxien oder biologische Objekte wie Pflanzen oder Schnecken oftmals diese Strukturen aus. In der Physik der kondensierten Materie, in Unterscheidung zur Elementarteilchenphysik oder Atomphysik, ist die logarithmische Spirale allerdings ein äußerst seltenes Phänomen. Alles in allem ist für die Entstehung der logarithmischen Spirale ein sehr komplexes Zusammenspiel von Reaktions- und Diffusionsprozessen verantwortlich.

Weit vom Spiralzentrum entfernt hingegen breitet sich die Kristallisationsfront, wie von der Explosivkristallisation bekannt, kreisförmig aus. Dies legt die sehr gute Übereinstimmung der theoretisch berechneten und den sichtbaren Grenzverläufen zwischen zwei aufeinandertreffenden Kristallisationsfronten unterschiedlichen Ursprungs nahe. Das diese Art der selbstorganisierten Strukturbildung mittels Technologien, welche auch in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen, so lange unentdeckt blieb, ist nach Meinung der Wissenschaftler aufgrund der besonderen Herstellungsparameter nicht ungewöhnlich, zeigt nun aber neue Forschungswege zum tieferen Verständnis von Kristallisationsprozessen auf.

Originalveröffentlichung:

Bürger et al., Journal of Applied Physics 121, 184901 (2017): http://dx.doi.org/10.1063/1.4983068

Weitere Informationen: Dr. Danilo Bürger, Professur Materialsysteme der Nanoelektronik der TU Chemnitz, E-Mail: danilo.buerger@etit.tu-chemnitz.de, Tel.: 0371 531 32889

Weitere Informationen:

https://www.tu-chemnitz.de/etit/nano/

Matthias Fejes | Technische Universität Chemnitz

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Schlaflos wegen Handy? Neue Displays könnten Abhilfe schaffen
21.06.2018 | Universität Basel

nachricht Sensoren auf Gummibärchen: Team druckt Mikroelektroden-Arrays auf weiche Materialien
21.06.2018 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics