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10.12.2013 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Neue Materialeigenschaften à la carte

Autor:
Dieter Beste

Mithilfe der Nanotechnologie lassen sich innere Strukturen von Materialien maßschneidern. Möglich wird dies aufgrund neuer Analysemethoden wie der Atomsonden-Tomographie (APT), mit der sich die Anordnung von Atomen sogar dreidimensional sichtbar machen lässt.

Um bestimmte Eigenschaften oder Eigenschaftskombinationen zu erreichen, entwickelten Werkstoffforscher lange Zeit immer komplexere Werkstoffe, die schließlich aus einem unentwirrbaren Gemisch aus vielen Rohstoffen bestanden. „Doch diese werden immer knapper und manche auch sehr teuer, sodass man sich heute auf Lösungen konzentriert, die mit wenigen Materialien umzusetzen sind“, berichtet Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik (MECS).

Für diese moderne Art der Werkstoffentwicklung ist es freilich immer weniger sinnvoll, den früher allein üblichen empirischen Weg zu gehen. „Es ist vielmehr zweckmäßig, die Eigenschaften eines Werkstoffes aus der Mikrostruktur abzuleiten“, betonen die Springer-Autoren Erhard Hornbogen und Birgit Skrotzki in „Mikro- und Nanoskopie der Werkstoffe“ (Seite 2) und verweisen auf die Ergebnisse der modernen Festkörperforschung, die das theoretische Fundament dafür liefern, den mikroskopischen Aufbau mit makroskopischen Eigenschaften verknüpfen zu können.

Aufbau des Stoffes muss lückenlos bekannt sein

Voraussetzung dazu ist in jedem Fall, dass der mikroskopische Aufbau eines Stoffes lückenlos bekannt ist. Zusätzlich zu den seit Langem bekannten Methoden zur Untersuchung des Aufbaus der Stoffe, nämlich

  • Chemische Analyse - zur Bestimmung der Atomarten,
  • Beugung von Röntgenstrahlen - zur Bestimmung der Kristallstrukturen und
  • Lichtmikroskopie - zur Untersuchung des Mikrogefüges

sind in den letzten Jahren weitere Methoden gekommen, die vorzugsweise mit
Korpuskelstrahlen (= Teilchenstrahlen) als Sonden zur Untersuchung der Nanostrukturen
arbeiten. Die wichtigsten stellen Hornbogen und Skrotzki in ihrem Buch vor, darunter:

  • Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie,
  • Emissions-Elektronenmikroskopie,
  • Raster-Elektronenmikroskopie,
  • Elektronenstrahl-Mikrosonde,
  • Atomsonden- oder Feldionenspektroskopie,
  • Rastersondenmikroskopie,
  • Computertomographie.

Bei der Atomsonden-Tomographie (Atom Probe Tomography, APT) handelt es sich um ein anspruchsvolles Verfahren zur chemischen Charakterisierung auf kleinster Längenskala, das weltweit erst wenigen Forschergruppen zur Verfügung steht. In Deutschland wird dieses Mikroskop, das dreidimensionale Darstellungen der lokalen Zusammensetzung in atomarer Auflösung liefert, unter anderem schon an der Universität des Saarlandes und dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf genutzt. Bei der ATP-Analyse werden die Atome der zu untersuchenden Probe wahlweise durch einen Hochspannungspuls von bis zu 5000 Volt oder einen Laserimpuls einzeln abgelöst, auf einen Detektor beschleunigt und anhand ihrer Flugzeit chemisch analysiert. Gleichzeitig registriert der ortsempfindliche Detektor den Auftreffort. Der Computer errechnet aus diesen Daten die ursprüngliche Position des Atoms in der Probe. Mit bis zu einigen 10 Millionen Atomen pro Messung lassen sich so die analysierten Volumen numerisch nahezu vollständig rekonstruieren.

APT-Analysen ermöglichen gezielte Eingriffe in die Mikrostruktur

Der Saarbrücker Materialforscher Frank Mücklich und sein Team zählen zu den Pionieren, die schon erfolgreich APT-Analysen zur Werkstoffentwicklung genutzt haben. Mit einer selbstheilenden Kupferschicht konnten sie zum Beispiel das Verkupfern von Leiterplatten, wie sie in Handys zur Anwendung kommen, wesentlich erleichtern und wurden für diese patentierte Erfindung im November mit dem Innovationspreis 2013 des Deutschen Kupferinstitutes ausgezeichnet.

Für die großflächige und präzise Fertigung von Leiterplatten wird das Galvanik-Verfahren verwendet: „Die Leiterplatte wird dabei mit einer gleichmäßigen Kupferschicht überzogen, die dünner ist als ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares“, erklärt Mücklich. Das Problem dabei: Die Leiterplatten werden in den Galvanik-Anlagen von säureresistenten Titanklammern gehalten, die den Strom auf die Platte leiten. „Diese Halterungen müssen eine enorme elektrische Energie auf wenigen Quadratmillimetern aushalten. Der extrem starke Strom schädigt sie bei jedem Durchlauf durch Funkenbildung, ähnlich wie ein Blitzeinschlag.“

Selbstheilende Kupferschichten

Gemeinsam mit den Materialwissenschaftlern Dominik Britz und Christian Selzner untersuchte Mücklich die Schädigungsvorgänge auf atomarer Ebene und musste dabei erkennen, „dass die bisherige Strategie zur Lösung des Problems nicht zum Erfolg führt. Es reicht nicht, immer neue Werkstoffe mit noch höherer Widerstandskraft gegen diese zerstörerischen, viele tausend Grad heißen Funken zu entwickeln.“ Auch sehr teure Edelmetalle wie Platin konnten diesen Prozess der Elektroerosion letztlich nur verzögern, aber nicht aufhalten.

Stattdessen fanden die Materialforscher ein äußerst sparsames und zuverlässiges Verfahren. „Dieses ähnelt der Heilung von Wunden, mit der unser Körper zeitlebens die Haut regeneriert.“ Wie in einem Karussell wandern die Kontakte jetzt in der Produktionsanlage im Kreis herum und werden genauso wie die Leiterplatten immer wieder mit einer neuen dünnen Kupferschicht überzogen. „Damit erzeugen wir eine recycelbare Verschleißschicht auf den Kontakten, heilen aufgetretene Schäden sofort aus und verbessern ganz nebenbei sogar die Leitfähigkeit der Halterungen um ein Vielfaches“, fasst der Materialforscher zusammen und kann sich vorstellen, dass sich die selbst erneuernden Schutzschichten nach diesem Prinzip auch für andere Anwendungen einsetzen lassen.

Atomsonden-Tomographie in der Solarzell-Entwicklung

Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf analysiert die Forschungsgruppenleiterin Oana Cojocaru-Mirédin Dünnschichtsolarzellen, die aus Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid bestehen und nutzt hierbei ebenfalls die Möglichkeiten der Atomsonden-Tomographie. Mit dem so erarbeiteten Wissen will sie dazu beitragen, die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen. Durch eine enge Zusammenarbeit ihrer Abteilung „Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign“ am MPIE mit der Photovoltaik-Industrie fließen ihre Forschungsergebnisse direkt in die Prozessoptimierung ein. Für ihre Arbeit wurde Cojocaru-Mirédin am 6. Dezember mit dem Ernst-Haage-Preis 2013 in der Kategorie „Herausragende Forschungsleistungen“ ausgezeichnet.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

01.10.2013 | Symposium: Solid-State Interfaces II: Toward an Atomistic-Scale Understanding of Structure, Properties, and Behavior through Theory and Experiment | Ausgabe 10/2013

Investigation of Interfaces by Atom Probe Tomography

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