Neue Methode zur Ausrichtung des Kristallwachstums manipuliert Materialeigenschaften
Einkristallzüchtung als wirksame Methode zur Kontrolle der Orientierung entdeckt
Eine neue Methode zur Züchtung von Einkristallen und zur gleichzeitigen Kontrolle ihrer Ausrichtung ohne Schmelzprozess wurde von Dr. Hande Ozcan, Doktorand in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Texas A&M University, und Dr. Ibrahim Karaman, Abteilungsleiter und Chevron-Professor, entdeckt.
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Die Entdeckung dieser neuen Methode zur Kontrolle des Kristallwachstums und der Kristallorientierung im festen Zustand wurde kürzlich in der Zeitschrift Acta Materialia veröffentlicht. Die Forschungsarbeit befasst sich mit der Züchtung großer Einkristalle und deren Fähigkeit, ihre kristallografische Ausrichtung zu ändern. Die kristallografische Orientierung beschreibt die Ausrichtung der Kristalle innerhalb einer Masseprobe.
"Wir haben in den letzten drei Jahrzehnten an Einkristallen gearbeitet, aber die Züchtung der Kristalle mit Hilfe der Schmelze und die Kontrolle ihrer Ausrichtung war eine große Herausforderung", so Karaman. "Die von Hande entdeckte Methode spart uns jetzt viel Zeit und bietet mehr Flexibilität. Es gibt noch mehr zu erforschen; das ist es, was uns an dieser neuen Methode so begeistert."
Laut dem Forschungspapier ist die Kontrolle der Größe, Form und kristallografischen Ausrichtung von Einkristallen entscheidend, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Laut Ozcan ist diese Methode wichtig für Anwendungen, die Materialien mit anisotropen Eigenschaften erfordern.
"Dieser Mechanismus ermöglicht es diesen Materialien, ihre Ausrichtung im festen Zustand zu ändern, ohne dass umständliche und kostspielige Schmelzverarbeitungstechniken erforderlich sind. Das ist wichtig, weil diese Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche kristallographische Richtungen haben", so Ozcan.
Ozcan hat zum ersten Mal gesehen, dass kristallographische Orientierungen in diesem großen Maßstab verändert werden können.
"Dies könnte die Art und Weise, wie wir Einkristalle betrachten und Materialeigenschaften manipulieren, grundlegend verändern, denn mit Festkörpermethoden können wir nicht nur sehr leicht große Einkristalle züchten, sondern auch mit ihrer kristallografischen Ausrichtung spielen", so Ozcan.
Einkristalle sind für die Mikroelektronik, optische Kristalle, magnetische Geräte, Solarzellen, piezoelektrische Komponenten und multifunktionale Legierungen von wesentlicher Bedeutung. Ein konkretes Anwendungsbeispiel für diese Materialien sind multifunktionale Formgedächtnislegierungen. Diese Werkstoffe können ihre Form ändern und sich bei Wärmeeinwirkung oder Stress erholen.
"Man kann das Material zum Beispiel verformen, wenn man es belastet, aber wenn man es loslässt, kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück", so Ozcan.
Diese Eigenschaften hängen stark von der Orientierung des Einkristalls ab; einige Orientierungen zeigen diese Rückstellung in perfekter Weise, andere nicht. Daher ist die Kontrolle der Ausrichtung entscheidend für die Erzielung hervorragender funktioneller Eigenschaften.
Ein weiterer Vorteil dieser Technik ist laut dem Forschungspapier, dass sie keine komplexe und teure Ausrüstung erfordert.
Traditionell werden Schmelzwachstumstechniken, die so genannten Bridgman- und Czochralski-Prozesse, eingesetzt, um große Kristalle mit einer bevorzugten Ausrichtung zu erhalten. Die Kontrolle der Kristallorientierung ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung.
Diese Verfahren setzen die Verfügbarkeit geeigneter Impfkristalle, eine präzise Keimbildung und die Kontrolle des thermischen Profils während der Verarbeitung voraus.
Aufgrund dieser Komplexität sind diese Methoden sehr teuer. Die neue Methode wird als Festkörperkristallzüchtung (SSCG) bezeichnet, ein Verfahren, bei dem große Massenkristalle mit unterschiedlichen kristallografischen Orientierungen durch einfache Wärmebehandlungen hergestellt werden können.
Bei diesem Verfahren sind die hergestellten Kristalle vielseitiger und können eine bessere chemische Homogenität erreichen als bei den traditionell verwendeten Schmelzwachstumsverfahren.
Das Forscherteam an der Texas A&M demonstrierte die SSCG-Methode in zwei Legierungssystemen, FeMnAlNi und CuMnAl, und erreichte wiederholte, massive Orientierungsänderungen im festen Zustand.
Diese Ergebnisse bieten eine neue Strategie, um die Ausrichtung großer Einkristalle nach Bedarf zu manipulieren und so ihre überlegenen und stark anisotropen Eigenschaften zu nutzen, heißt es in dem Forschungspapier.
"Dieser Prozess funktioniert mit Materialien, die semikohärente Ausscheidungen und zweiphasige Bereiche in ihrem Phasendiagramm aufweisen", so Ozcan. "Wenn man das Material in einer Zweiphasenregion mehrmals von hohen zu niedrigen Temperaturen wechselt, keimen die Ausscheidungen, lösen sich auf und lassen Subkorngrenzen zurück. Dann beginnen die Körner zu wachsen, wodurch die überschüssige Energie der Subkorngrenzen abgebaut wird. Diese Körner wachsen weiter und verschmelzen, und schließlich erhält man einen Einkristall.
Wenn man das Material weiter zyklisch bearbeitet, nachdem es zu einem Einkristall geworden ist, gibt es keine anderen Möglichkeiten, die überschüssige Energie im System zu verringern, und es wird ein Mechanismus aktiviert, der die kristallografische Ausrichtung verändert.
"Wir haben diese Technik entdeckt, während wir an etwas anderem arbeiteten. Wir hatten nicht speziell das Ziel, die kristallografische Ausrichtung zu ändern", sagte Ozcan. "Wir haben einfach daran gearbeitet, große Einkristalle zu züchten.
Während dieses Prozesses stellten Ozcan und das Team fest, dass sich die Legierungen in nur wenigen Zyklen in Einkristalle verwandelten, und mit weiteren Zyklen stellte sie fest, dass sich die Ausrichtung der Einkristalle vollständig zu ändern begann.
"Ich zeigte die Ergebnisse Dr. Karaman und war begeistert", sagte sie. "Danach begannen wir zu verstehen, was vor sich ging und warum sich die Ausrichtung der Kristalle änderte; wir probierten verschiedene Methoden und Verarbeitungszeitpläne aus, um diese Veränderung zu beeinflussen.
Diese Entdeckung wird uns weitreichende Forschungsmöglichkeiten eröffnen, sagte sie. Dies ist erst der Anfang dieses aufregenden neuen Weges zur Entdeckung neuer Materialien.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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