HRTEM in situ ist eine fortschrittliche Technik zur Verfolgung der strukturellen Veränderungen / Phasenumwandlung von Materialien auf atomarer Ebene. Die Wissenschaftler des Erich-Schmid-Instituts in Leoben (gleichzeitig Lehrstuhl für Materialphysik an der Montanuniversität) nutzten diese Technik, um die Sauerstoffkontamination von nanokristallinen Materialien zu untersuchen. In solchen nanokristallinen Materialien ist diese Technik eine erstmalige Anwendung, und die Wissenschaftler konnten das erste Ergebnis über den Sauerstoffkontaminationseffekt veröffentlichen.

Nanostrukturierte Materialien zeigen extrem hohe Festigkeit und haben beispiellose Aufmerksamkeit in der Materialforschung aufgrund ihrer möglichen Anwendungen in der Industrie erhalten. Nanostrukturieren und Legieren sind typische Strategien, um verbesserte Eigenschaften von Metallen zu erhalten. Starke plastische Verformung (SPD) kann effektiv neuartige, metallische nanokristalline Materialien durch starke Verfeinerung und mechanisches Legieren von normalerweise nicht mischbaren Kompositen erzeugen.

Allerdings stellen gasförmige Verunreinigungen, die von Beginn an in den Rohmaterialien sind und durch die SPD in die Nanostruktur eingebaut werden, eine Herausforderung dar. Verunreinigungen durch Sauerstoff scheinen unvermeidbar während des Vormischens der Komponenten und des Verfestigens in der Pulververarbeitung sowie in der sequentiellen Dehnung während der Verformung.

Die Verfügbarkeit von moderner, aberrationskorrigierter Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bietet die Möglichkeit, den Einfluss von Sauerstoffverunreinigungen in nanokristallinen Materialien zu untersuchen. Inspiriert durch direkte Beobachtungen mit atomarer Auflösung wurde in-situ systematisch das Verhalten von Sauerstoff in Cu-Fe (Kupfer-Eisen) Legierungen, die durch Torsion unter hohem Druck hergestellt wurden (HPT), in Abhängigkeit von der Temperatur mittels atomar aufgelöster Bilder in einem sphärischen aberrationskorrigiertem HRTEM und mithilfe eines speziellen, heizbaren Probenhalters untersucht. Außerdem wurden mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie Informationen über die chemische Zusammensetzung gewonnen. Zusätzlich durchgeführte Untersuchungen umfassten Röntgenbeugung in einem Synchrotron, Atomsonden-Tomographie und Berechnungen in Dichtefunktionaltheorie.

„Diese Arbeit bietet die erste direkte Untersuchung des Sauerstoffverhaltens in nanokristallinen Legierungen und zeigt, dass sich stabile, nanometergroße Oxide leicht innerhalb von nanometergroßen Körnern formen können“, erläutert Dr. Zaoli Zhang vom Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft. Dies ist wichtig für die Forschung an nanokristallinen Materialien, im Speziellen bezüglich derer thermischen Stabilität. „Die Ergebnisse stellen, neben ihrer Hilfe zum Verständnis der Rolle von Sauerstoff in der Kornverfeinerung und Legierungsmikrostruktur, auch einen vielversprechenden Weg für die gezielte Manipulation mechanischer Eigenschaften durch die absichtliche Einbringung von leichten Elementen vor der Deformation dar“, meint Zhang abschließend.

Diese Forschung wird finanziert vom österreichischen Wissenschaftsfond FWF. Sie wurde am Erich Schmid Institut für Materialwissenschaften der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Leoben sowie dem Departement Materialphysik der Montanuniversität Leoben in Kooperation mit der TU Graz (Österreich), dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf (Deutschland) und der Hubei Universität (China) durchgeführt.

Weitere Information:

Priv.-Doz. Dr. Zaoli Zhang
Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft
Österreichische Akademie der Wissenschaften,
E-Mail: zaoli.zhang@oeaw.ac.at
Tel: +43 3842 804-311

Link zur Onlineversion des wissenschaftlichen Artikels: dx.doi.org/10.1038/s41467-018-03288-8