Forschung

Realstrukturen und Grenzflächen

Reale Kristalle und kristalline Werkstoffe enthalten stets Defekte, welche die gitterperiodische Anordnung der Atome im Kristallgitter stören. Kristalldefekte sind für viele Materialeigenschaften (mechanische, optische, elektrische) mitbestimmend. In Silicium als Halbleitermaterial werden z.B. die elektronischen Eigenschaften durch gezielt eingebrachte Defekte mittels Dotieren (Einbringen von Fremdelementen) erst hervorgerufen und gezielt eingestellt. Die klassischen Beugungsmethoden liefern Information über das Kristallvolumen, nicht aber über die Realstruktur von Kristallen und deren Defekte. In der Charakterisierung mikroskopischer Baufehler in Kristallen hat die Elektronenmikroskopie größte Bedeutung, da sie die einzig verfügbare Untersuchungsmethode hierfür ist.

Die Defekte werden nach ihrer Größe bzw. Ausdehnung (Dimension) klassifiziert. Punktdefekte ("nulldimensional") wie Leerstellen und Zwischengitteratome sind atomar klein; sie können zwar nicht abgebildet werden, aber Gitterrelaxationen um die Defekte sind mittels Beugungsmethoden zugänglich. Versetzungen sind typische Liniendefekte (eindimensional), welche in praktisch allen Kristallen vorkommen. An einer Versetzungslinie ist der periodische Aufbau des Kristalls erheblich gestört und um den Versetzungskern ist das Gitter verzerrt. Die Gitterverzerrungen sind im Beugungskontrast des elektronenmikroskopischen Bildes sichtbar, und aus den Sichtbarkeitskriterien kann die Art der Versetzung bestimmt werden. Stufenversetzungen in Kristallen können mit Hilfe der hochauflösenden TEM direkt abgebildet und analysiert werden.

Flächendefekte (Grenzflächen, zweidimensional) können innerhalb von Kristallen z.B. als Stapelfehler oder Domänengrenzen auftreten. In vielkristallinen Werkstoffen sind Korngrenzen zwischen den Kristallen (Körnern) unterschiedlicher Orientierung allgegenwärtig, und in mehrphasigen Werkstoffen und Verbunden (z.B. dünne Filme auf Substrat) existieren Phasengrenzflächen. Der strukturelle Aufbau von Grenzflächen ist a priori nicht bekannt. Die hochauflösende TEM ist für diesbezügliche Untersuchungen von entscheidender Bedeutung und sie ist praktisch die einzig verfügbare Methode um detaillierte Strukturinformation von diesen zweidimensionalen Objekte zu erhalten.

Ein Schwerpunkt der Grenzflächenforschung in der Arbeitsgruppe ist derzeit die Charakterisierung von Zwillingsgrenzen und Inversionsdomänengrenzen in dotiertem Zinkoxid. Zinkoxid (ZnO) ist eine Funktionskeramik, deren Anwendungsbereich insbesondere die Varistortechnik ist. Varistoren sind elektronische Bauteile, die elektrischen Systemen einen effizienten Schutz vor kurzzeitigen Überspannungen bieten, ohne selbst zerstört zu werden. Die Bezeichnung "Varistor" ist eine Wortschöpfung aus dem Englischen: "variable" (= variabel) und "resistor" (= Widerstand). Die Eigenschaften von Varistoren beruhen auf einer extrem nichtlinearen Strom-Spannungscharakteristik, die in der Mikrostruktur des Materials begründet ist.

Die Dotierung von ZnO mit Oxiden dreiwertiger Metalle führt zu charakteristischen Mikrostrukturen, deren Entstehungsursachen noch weitgehend ungeklärt sind. Wir untersuchen modellhaft die Systeme ZnO-Ga2O3, ZnO-Fe2O3, ZnO-In2O3 sowie ZnO-Ga2O3-Bi2O3, ZnO-Fe2O3-Bi2O3. In allen diesen Systemen werden Zwillings- und Inversionsstrukturen beobachtet, wobei Domänen innerhalb der Kristalle entstehen, die sich entweder durch Spiegelung an bestimmten kristallographischen Ebenen (Zwillinge) oder durch eine Orientierungsumkehr des ZnO-Kristalls (Inversionsdomänen) ineinander überführen lassen. Zwillinge, Domänen und die dazwischen liegenden Grenzflächen werden mit den Methoden der Elektronenbeugung, EDX, Elektronenspektroskopie, energiegefilterte TEM und HRTEM untersucht. Zudem werden Aspekte der Thermodynamik und der Kinetik des Transports der zugesetzten Metall-Kationen eingehend betrachtet.


ADF Map Struktur

Inversionsdomänen in ZnO mit Zusätzen von Fe2O3. An den Domänengrenzen (IDBs) zeigt die Dunkelfeld STEM-Abbildung (Links) ein geringeres Sreupotential und im spektroskopischen Bild der charakteristischen Röntgenemission (Mitte) ist dort die Eisenverteilung dargestellt. In der atomar hoch aufgelösten Dunkelfeldabbildung (Rechts) sind die Metallpositionen abgebildet und das Strukturmodell mit einer Monolage Fe3+ eingelegt.


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Atomar aufgelöste Phasenkontrastabbildung einer Inversionsdomänengrenze (Pfeile) in ZnO mit Zusätzen von In2O3.
Eingelegt sind Computer simulierte Phasenkontrastbilder und das Strukturmodell mit Atompositionen (rechts). Alle Atome einschließlich des Sauerstoffs sind abgebildet, womit die Koordinationspolyeder der Kationen erkennbar werden.