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Universität Göttingen
IMP


Thermodynamik und Kinetik von nanoskaligen Materialien - Wasserstoff in Metallen

Leiterin: Prof. Dr. Astrid Pundt





Die Arbeitsgruppe erforscht das Verhalten von nanoskaligen Systemen (dünne Schichten und Mulitlagen, Drähte und Cluster), wobei Wasserstoff-Metall-Systeme den Schwerpunkt bilden. [130, 134, 135] Der Einfluss der Mikrostruktur (Leerstellen, Versetzungen, Phasen- und Korngrenzen, Oberflächen) auf Löslichkeiten und Phasengrenzen, mechanische Eigenschaften, Diffusion und elektrische Leitfähigkeit sind Teil der Untersuchungen. Ein weiterer Teil beschäftigt sich mit dem Einfluss der Stabilisatoren und Substrate. Der Nutzen erzielter Ergebnisse für die technologische Anwendung wird stetig geprüft.

Unsere aktuellen Arbeiten werden durch ein Heisenberg-Stipendium der DFG, über das Projekt C06 im SFB1073, sowie PU131/10-1 und PU131/12-1 durch die DFG gefördert. Weiterhin unterstützt uns das PETRA/DESY Hamburg sowie die ESRF durch Strahlzeit an den Synchrotrons.

Folgende Arbeitsgebiete werden zur Zeit untersucht:

Abbildung 1:
Foto der UHV-Sputteranlage mit Rastersondenmikroskopen


Abbildung 2:
Rastertunnelmikroskopische Abbildung der Oberflächenmodifikation von Nb-Schichten bei H-Sorption. Die Höhenunterschiede liegen bei 10 nm. [13]


Abbildung 3:
Lichtmikroskopische Aufnahme von Abplatzungen ("Buckles") einer dünnen Metallschicht. [12, 129, 131]


Abbildung 4:
Rasterkraftmikroskopische Aufnahme von Metall-Drähten (D) auf facettierten Saphirsubstraten. (R=Rückseite, S=Schattenbereich) [461]



H in dünnen Metallschichten

Oberflächenmodifikationen auf den 10-nm Skala durch H-Sorption: Keimbildung und Wachstum
Durch die Aufnahme von H in einer haftenden Schicht werden hohe mechanische Spannungen zwischen der Schicht und dem Substrat erzeugt, die mehrere GPa betragen können. [2, 139] Diese hohen Spannungen können die Schicht elastisch oder auch plastisch verformen. An der Oberfläche können bei 100 nm dünnen Schichten lokale Aufwölbungen im 10-nm Bereich gemessen werden! Diese sind mit dem Rastertunnelmikroskop beobachtbar. Über die Oberflächenmodifikation kann die Keimbildung und das Wachstum von Ausscheidungen im Inneren der Schicht verfolgt werden. [13, 6, 146, 461]

Bestimmung der Adhäsionsenergie durch kontrolliertes Ablösen dünner Schichten, Einfluss mechanischer Spannungen
Oberhalb einer bestimmten Grenzkonzentration können Schichten aber auch vom Substrat abplatzen, sofern die Adhäsionsenergie gering bzw. die Schichtdicke groß ist. Diese Oberflächenveränderungen liegen im Mikometerbereich und lassen sich mit der Lichtmikroskopie studieren.(Abb.3) Interessanterweise kann der Einsatzpunkt der Rissbildung direkt mit der Adhäsionsenergie zwischen der Schicht und dem Substrat korreliert werden. Bei geeigneter Schichtanordnung können so Adhäsionsenergien verschiedenster Materialkombinationen untersucht werden. [12, 129, 131]

Kooperative Effekte in Multischichten
H-Konzentrationen ändern sich lokal an Defekten. Die Veränderung der lokalen H-Konzentration an Grenzflächen untersuchen wir momentan mit der Tomographischen Atomsonde, indem sputterdeponierte Schichtpakete mit Repetitionslängen von einigen Nanometern hergesellt werden. Interessante Grenzflächeneffekte werden hier beobachtet. [10, 4, 130]


H in Clustern

Cluster (Metallpartikel aus einigen 1000 Atomen) nehmen durch ihre hohe Anzahl von Oberflächen eine Sonderstellung ein: ihre Eigenschaften werden durch Oberflächen dominiert. Dimensionseffekte ("small-size-effects") sollten hier in den Vordergrund treten. Die Größen- und Substratabhängigkeit der Löslichkeiten in M-H Clustern stehen im Zentrum der aktuellen Forschung. Die Arbeiten werden durch Computersimulationen unterstützt. [15, 17, 18, 19, 143, 138, 463]


H in Nanodrähten und perkolierenden Wachstumsinseln

Durch Beschichtung unter streifendem Einfall auf facettierte Substrate ist es gelungen, 20 nm breite und sich über makrokopische Längen ausdehnende Nanodrähte zu erstellen. Löslichkeiten und Widerstände der Drähte unter H-Gasatmosphäre wurden untersucht.
Auf Substraten deponierte Clusterarrays nahe des Perkolationüberganges starke Widerstandsänderungen während der H-Beladung. Die aktuelle stattfindende Erforschung der Ursachen für die gefundene Widerstandsänderung soll als Basis für eine Optimierung des Effektes dienen. Hier wird ein möglicher Einsatz im Bereich der Sensorik überprüft. [461] [11]


Wechselwirkung von H mit Defekten

Erzeugung von Leerstellen durch H-Sorption
Jüngst konnte von uns gezeigt werden, dass durch die H-Aufnahme in massiven Nb-Proben hohe Mengen an Leerstellen erzeugt werden. Diese lassen sich mit "superabundant vacancies" vergleichen, die bislang nur unter extremen Bedingnungen hergestellt werden konnten. Die Universalität des gefundenen Effektes wird in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um J. Cizek von der Karls-Universität in Prag untersucht. [126, 128, 20, 133, 145, 137, 460]

Einfluss der Mikrostrukturierung auf die H-Speichereigenschaften anwendungsnaher Legierungen
Der Einfluss insbesondere von Korngrenzen auf die Speichereigenschaften ist zur Zeit ein technologisch hochinteressantes Forschungsgebiet. Wir versuchen durch Untersuchungen an idealisierten Modellsystemen, einen grundlegenden Beitrag zu liefern. [22, 23]