Bestimmung von Diffusionslängen im Sub-Nanometer-Bereich mit Neutronenreflektometrie an Isotopen-Multilagen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Thema des Projekts war die (Weiter)Entwicklung und Anwendung einer neuartigen Methode auf der Basis von Neutronenreflektometrie (NR) und Isotopmultilagen, mit der es möglich ist, Diffusionsprozesse auf der (Sub-)Nanometerskala zu quantifizieren. Die Experimente erfolgten am Modellsystem Si-C-N in Abhängigkeit von der Temperatur, der Glühzeit und der chemischen Zusammenhang. Die Experimente zeigten, dass es möglich ist minimale Diffusionslängen von 0,6 nm und minimale Diffusionskoeffizienten von 1 x 10-25 m2/s nachzuweisen, was eine deutliche Verbesserung gegenüber etablierten Methoden darstellt. Anhand der Modellsysteme konnte weiterhin gezeigt werden, dass es die spezielle Methodenkombination ermöglicht Selbstdiffusion und strukturelle Relaxationsprozesse in amorphen und transient metastabilen Strukturen zu charakterisieren, was für die Langzeitstabilität von Werkstoffen und für die Synthese von chemisch schwer stabilisierbaren Materialien von Bedeutung ist. Hierdurch wird auch die Basis für eine verbesserte Charakterisierung von Diffusionsprozessen und -mechanismen in nichtkristallinen Werkstoffen gelegt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass im amorphen Zustand in Si-C-N die Diffusion mittels struktureller Defekte erfolgt und eine Aktivierungsenergie für die Atombewegung von ca. 3.3 eV ermittelt werden. Durch Untersuchungen zur experimentellen Technik konnten optimierte Parametersätze zur Herstellung von Isotopheterostrukturen gewonnen werden. Die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung von Diffusionsprozessen auf einer Längenskala < 1 nm ist eine aktuelle Herausforderung, die durch die Synthese und systematische Charakterisierung von neuen Werkstoffsystemen entsteht. Systeme mit geringer atomarer Beweglichkeit, Dünnschichtsysteme sowie insbesondere nanostrukturierte und metastabile Systeme lassen sich auf diese Weise erstmals in einer effizienten Weise charakterisieren, wie es mit klassische Methoden mit einer Ortsauflösung im Bereich 50 – 100 nm nicht möglich ist. Die Methodenkombination Neutronenreflektometrie und Isotopmultilagen bietet – wie dieses Projekt zeigt – hervorragende Ansätze. Konkret können hier folgende Ideen für zukünftige Projekte aufgeführt werden, die sich teilweise schon im Rahmen der Realisierung befinden: (1) die Untersuchung von Diffusionsprozessen in Festkörpern mit strukturellen Einheiten auf der Skala 10 nm (z. B. nanokristalline Metalle), (2) die Untersuchung von Diffusionsprozessen bei sehr niedrigen Temperaturen zur Untersuchung der Materialstabilität und (3) die Untersuchung von Diffusionsprozessen in dünnen Filmen beim Vorliegen biaxialer Spannungszustände.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Self-diffusion in Covalent Amorphous Solids – A Comparative Study using Neutron Reflectometry and SIMS, Def. Diff. Forum 263 (2007), 51
H. Schmidt, M. Gupta, U. Geckle, M. Bruns
- Structural Relaxation and Self-Diffusion in Covalent Amorphous Solids: Silicon Nitride as a Model System, J. Appl. Phys. 102 (2007), 043516
H. Schmidt, W. Gruber, T. Gutberlet, M. Ay, J. Stahn, U. Geckle, M. Bruns
- How to measure selfdiffusivities in the sub-nanometer range, Acta. Mater. 56 (2008), 464
H. Schmidt, M. Gupta, J. Stahn, T. Gutberlet, M. Bruns
- Atomic Transport in Metastable Compounds: A Case Study on Si-C-N, Phys. Rev. B. 80 (2009), R220101
E. Hüger, H. Schmidt, J. Stahn, B. Braunschweig, U. Geckle, M. Bruns, A. Markwitz
- Neutron Reflectometry - A Tool to Investigate Diffusion on the Nanoscale, Adv. Engin. Mater. 11 (2009), 446
H. Schmidt, E. Hüger, S. Chakravarty, T. Gutberlet, J. Stahn, U. Tietze, D. Lott
