Forschung

Amorphe Festkörper

PDF von amorphem Si3B3N7

Allgemeines. Gläser sind uralte Werkstoffe, die bereits von den Assyrern und Ägyptern hergestellt wurden. Bis heute werden Gläser in vielen technologischen Anwendungen, wie in Form von Glasfasern zur schnellen Datenübertragung oder als elektrisch isolierende hauchdünne Schichten in Halbleiterbauelementen (z.B. im Computer-Prozessor), eingesetzt und sind häufig durch keinen anderen Werkstoff zu ersetzen. Der Begriff des Glases ist jedoch nicht auf die klassischen Silicatgläser auf der Basis von Siliciumoxid (SiO2) beschränkt. Allgemein werden amorphe (gr.: gestaltslos) anorganische Feststoffe, die keine weitreichende strukturelle Ordnung besitzen, als Gläser bezeichnet. Man kennt verschiedenste feste Verbindungen von Stickstoff, Phosphor, Bor usw., die amorph, also als Glas, anfallen. Sogar Metalle lassen sich nach schnellem Abkühlen aus der Schmelze und mit chemischen Zusätzen als metallisches Glas erhalten.

Während die atomare Struktur von kristallinen Festkörpern mit den heute verfügbaren Methoden sehr gut erforscht werden kann, bereitet die Analyse der Struktur von amorphen Festkörpern enorme Probleme, und folglich sind unsere Kenntnisse über den strukturellen Aufbau dieser Feststoffe unvollständig. Dies war die Motivation für die Einrichtung des Bonner Sonderforschungsbereichs SFB 408 "Anorganische Festkörper ohne Translationssymmetrie - Synthese, Struktur und Modellierung". In diesem SFB arbeiten wir in zwei Teilprojekten (TP), einmal in der Synthese modifizierter oxidischer Silicatgläser (TP A11) und zum andern in der Strukturerforschung von Gläsern bzw. amorphen Netzwerken mittels elektronenmikroskopischer Methoden (TP B5), mit. Während TP A11 erst Anfang 2001 eingerichtet wurde, haben wir in TP B5 an den Elektronenmikroskopen verschiedene Verfahren zur Strukturaufklärung installiert, weiterentwickelt und mit Erfolg anwenden können.

Die Paarverteilungsfunktion (PDF) ist der "Fingerabdruck" eines Glases. Sie gibt - von einem beliebigen Atom aus gemessen - die lokale atomare Dichte in Abhängigkeit des Abstands von diesem Atom an. Maxima in der PDF repräsentieren somit bevorzugte Atom(paar)abstände (siehe Abbildung). Die PDF wird durch Streuexperimente gewonnen, wofür in der Regel Röntgen-, Synchrotron- (= hochenergetische Röntgenstrahlung) und Neutronenstrahlung verwendet werden. Die Elektronenstreuung wird erst sei wenigen Jahren eingesetzt; sie verbindet die Vorteile der einfachen Verfügbarkeit von Röntgenstrahlung mit der hohen Auflösung in der Synchrotron- und Neutronenstrahlung. Wir haben die Methode der energiegefilterten Elektronenstreuung zu einem wichtigen Instrument für den SFB 408 entwickelt und betreiben sie nun nahezu standardmäßig an unserem Transmissionselektronenmikroskop mit Feldemissionsquelle (CM300FEG) in Kombination mit dem abbildenden Elektronenenergie-Filter. Verschiedenste oxidische Gläser wie Bariumsilicat und Bariumgermanat und insbesondere die amorphen nitridischen Keramiken im System Si-B-N-C konnten mit Hilfe der PDF aus Elektronenstreudaten eingehend charakterisiert werden.

Homogenität und Entmischung. Die dreidimensional regelmäßig-periodische Struktur von Kristallen schreibt die Verteilung und die Anordnung der chemisch unterschiedlichen Atome im Kristallgitter zumeist klar vor. Dies gilt jedoch nicht für amorphe Festkörper, in denen - gewollt oder ungewollt - die Zusammensetzung in Abhängigkeit vom Ort in der Probe variieren kann. Dieses Verhalten, das entweder thermodynamische Gründe oder Ursachen in der Herstellung des Netzwerks hat, wird Entmischung genannt. Die Verteilung der Elemente in einem Glas bestimmt jedoch dessen Struktur im Bereich ab ca.>= 1 nm, also oberhalb der Größe von einfachen Molekülen, die in Gläsern als mittelweit reichende Ordnung (MRO) bezeichnet wird. Für den Nachweis der Entmischung bzw. der Homogenität im Nanometer-Bereich existieren nur wenige abbildende Methoden. Wir haben die elektronenspektroskopische Abbildung im Rahmen der energiegefilterten TEM (EFTEM) weiter entwickelt, um die Verteilung einzelner Elemente mit hoher Auflösung (besser als 1 nm) abzubilden. In Gläsern des Systems Si-B-N-C gelang es, die chemische Homogenität im Bereich größer 1 - 2 nm nachzuweisen. Eines der verbleibenden Probleme, an denen aktuell gearbeitet wird, ist der Projektionseffekt in der Elektronenmikroskopie, welcher die Elementverteilungsbilder trotz vorhandener Entmischung chemisch homogen erscheinen lassen kann.
Die methodischen Arbeiten zum Nachweis kleinster Kristallite, also von strukturellen Inhomogenitäten (Größe >= 2 nm), in einer amorpher Matrix wurden erfolgreich abgeschlossen. Die Methode soll weiterhin zur Charakterisierung der Netzwerke und eventuell vorhandener Kristallkeime angewandt werden.