Von Stahl, der im Bauwesen verwendet wird, bis hin zu Silizium in der Halbleiterindustrie sind die meisten Materialien, die heutzutage für strukturelle und funktionelle Zwecke verwendet werden, kristalliner Natur. Je nach Verarbeitung und gewünschter Anwendung sind diese Materialien gelegentlich einkristallin, aber in der Mehrzahl eine Anordnung unterschiedlich orientierter Körner unterschiedlicher Größe und Form, die durch Korngrenzen getrennt sind. Diese Korngrenzen sind für viele mechanische, elektrische, thermische und magnetische Eigenschaften in solchen Materialien verantwortlich. Daher kann die Veränderung ihrer inneren Struktur zu einer Vielzahl von abstimmbaren Eigenschaften führen, was heute als "Korngrenzen Engineering" bekannt ist.
Man könnte sich solche Korngrenzen als einen nanoskaligen Designraum zwischen zwei Körnern vorstellen, in dem die Atome so angeordnet sind, dass sie sich beiden Körnern "am besten anpassen". Die Veränderung dieser atomistischen Struktur durch unterschiedliche Chemie oder Verformung kann also zu lokalen Stellen einer „schlechten Passung" führen, was zu mehr oder weniger dicht gepackten Korngrenzenbereichen führt, die der Ursprung für die gewünschte (oder unerwünschte) Änderung der Materialeigenschaften sind.
Leider ist es aufgrund der atomistischen Natur nur selten möglich, solche Korngrenzenbereiche aufzulösen, was das Korngrenzen-Engineering zu einer recht aufwendigen Aufgabe macht.
Wenn man jedoch bedenkt, dass diese mehr oder weniger dicht gepackten Stellen unterschiedlich auf dynamische Schwingungen reagieren, kann man von dieser Dämpfungsreaktion indirekt die Veränderung der lokalen Struktur messen. Um solch kleine Änderungen im dynamischen Verhalten aufzulösen, ist es jedoch notwendig, sehr kleine Kräfte und Verschiebungen zu messen und die Tatsache zu berücksichtigen, dass eine eventuelle Luftdämpfung die Änderung der Korngrenzenstruktur dominieren würde. Auf der Grundlage unserer langjährigen Erfahrung mit mikromechanischen Messtechniken im Vakuum konnten wir diese Herausforderung lösen und Korngrenzenänderungen in nanokristallinem Tantal (Ta), einem in der Elektronik hochrelevanten Material, durch die Entwicklung einer neuartigen Technik auf der Grundlage der mechanischen Spektroskopie an mikroskopischen Proben messen.
Wirkungen und Effekte
Diese neuartige Methode dient als Grundlage für weitere Untersuchungen an verschiedenen strukturellen und funktionellen Materialien, die durch Korngrenzen-Engineering vorangetrieben werden könnten. Insbesondere die Möglichkeit, Veränderungen in der Korngrenzenstruktur auf effiziente Weise zu quantifizieren, ermöglicht einen informationsgetriebenen Ansatz zur Prozess-optimierung, um die derzeit notwendige "Trial and Error"-Arbeit zu reduzieren.
Diese Arbeit wurde zur Veröffentlichung in der renommierten internationalen wissenschaftlichen Zeitschrift Acta Materialia, Elsevier, angenommen.
Projektkoordination (Story)
Dr. Roland Brunner
Group Leader Material and damage analytics
Dept. Microelectronics
T +43 (0) 3842 45922-0
roland.brunner(at)mcl.at
Projektpartner
Montanuniversität Leoben, Österreich
Infineon Technologies Austria AG, Österreich