Forschung

Phasenumwandlungen

Das Interesse in der Festkörperchemie und der Mineralogie konzentriert sich überwiegend auf die Reaktionsprodukte der Synthese, welche mit Hilfe über größere Volumenbereiche mittelnde Methoden wie Röntgenbeugung, Infrarotspektroskopie und Festkörper-Kernresonanzspektroskopie charakterisiert werden. Die Reaktionsmechanismen während der (Festkörper-) Synthese und evtl. auftretende Übergangsphasen bleiben dabei im Verborgenen.

Solche Prozesse und intermediäre Produkte in den Reaktionsbereichen erfordern zur Untersuchung hoch ortsempfindliche Methoden, und dafür sind die verschiedenen Methoden der TEM bestens geeignet: Hochauflösende Abbildungen (HRTEM) sowie Elektronenbeugung (Elektronenkristallographie) an kleinsten ausgewählten Bereichen geben Aufschluß über strukturelle Veränderungen wie die Bildung von Übergangsphasen - sowohl direkt im Realraum bis in atomare Details als auch im reziproken Raum. Die den Reaktionsverlauf entscheidend mitbestimmenden Bestandteile der Mikrostruktur wie Risse, Poren und Versetzungen werden nachgewiesen und eingehend charakterisiert. Die Methoden der Elektronenspektroskopie und der energiegefilterten TEM ermöglichen hochlokale Elementanalysen und die Abbildung der Elementverteilung mit nahezu atomarer Auflösung.

Wir beschränken uns derzeit in der Forschung auf oxidische und nitridische Systeme, die einfach zu handhaben und wenig empfindlich gegenüber den Untersuchungsmethoden sind. Die Edukte werden nur partiell zu den Reaktionsprodukten umgesetzt, und die dabei entstehenden Phasengrenzen werden eigens präpariert und mit den Methoden der TEM charakterisiert. Die Aussagekraft der Ergebnisse wird durch Verwenden von möglichst homogenen Proben oder, wenn möglich, von Einkristallen erhöht.
Die in der Arbeitsgruppe untersuchten Systeme sind zum großen Teil Klassiker der Festkörperchemie und Materialforschung:


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Phasenumwandlung während der Diffusion von Fe2+ in ZnO: von vereinzelten Defekten (links) zu sog. Phasoiden (rechts) bestehend aus mehr oder weniger periodisch angeordneten Inversionsdomänen. Die Orientierung der polaren c-Achse der ZnO Domänen ist mit Pfeilen bezeichnet.


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Umwandlung von Diaspor, AlO(OH), zu Korund, Al2O3, im Nanometerbereich.
Die Entwässerung von Diaspor erfolgt über eine topotaktische Umwandlung zu Korund unter Beibehaltung der AlO6 Oktaeder (Links). Der Korund entsteht als poröser Kristall mit periodisch auftretenden Dichteunterschieden, wobei die Kristallstruktur erhalten bleibt (Mitte). Diese Dichte-Nanostruktur entsteht durch unterschiedliche Netzebenenabstände als alternierend gut passende (→ dicht) und nicht passende Bereiche (→ porös) für die AlO6 Oktaeder beider Phasen and der Reaktionsfront (Rechts).