Untersuchung tetraedrisch koordinierter Festkörper mit ultrahochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie am Ernst Ruska-Centrum Jülich
Final Report Abstract
Hoch aufgelöste Abbildungen von Kristallgittern können seit einigen Jahren mit modernen Elektronenmikroskopen erhalten werden. Bisher stammen diese Abbildungen von Element-Kristallen wie die von Metallen oder Halbleitern bzw. von Verbindungen mit Kristallstrukturen, in denen die Metallatome "oktaedrisch" von sechs Nichtmetallatomen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel mit Atomabständen von mehr als 0.2 nm umgeben sind. Als Bestandteile der Erdkruste kennen wir jedoch unzählige Verbindungen mit Kristall Strukturen, in denen die zentralen Atome von nur vier Nichtmetallatomen umgeben sind mit der Konsequenz, dass diese Baueinheiten Tetraeder mit kleineren Atomabständen bilden, und die überdies eine geringere Symmetrie aufweisen. Auch als Werkstoffe in der Technik werden synthetische Verbindungen wie Siliziumnitrid mit "tetraedrischen" Baueinheiten eingesetzt. Aufgrund der kleinen Atomabstände solcher Kristalle in elektronenmikroskopischen Abbildungen konnten die Atome bzw. Atomsäulen nicht einzeln separiert abgebildet werden, wodurch sie sich einer eingehenden Untersuchung entzogen. In einer Zusammenarbeit des Anorganisch Chemischen Instituts der Universität Bonn mit dem Ernst Ruska-Centrum am Forschungszentrum Jülich konnte ein lange gehegter Wunsch von Festkörperforschern und Material Wissenschaftlern Realität werden: die atomar aufgelöste Abbildung von Kristallen mit "tetraedrischen" Baueinheiten und damit von allen bekannten kristallinen Verbindungen ist mit den in Jülich installierten Transmissionselektronenmikroskopen der neuesten Generation erreicht. Möglich wurde dies durch zusätzlich eingebaute Korrekturelemente, die in Deutschland erdacht, konstruiert und gebaut wurden. Im Rahmen des Projektes wurde als Machbarkeitsstudie beta-Süiziumnitrid ( untersucht, ein technologisch sehr bedeutender Hochleistungswerkstoff, der als Konstruktionskeramik im Motoren- und Maschinenbau sowie als nicht korrosive Komponente in der chemischen Industrie eingesetzt wird. In Richtung der kristallographischen c-Achse gelang es, die beiden Untergitter von Silizium und von Stickstoff getrennt aufgelöst abzubilden. Die Schwierigkeit bestand darin, eine Reihe von Stickstoffatomen im Abstand von nur 0.0945 nm von einer Siliziumreihe abzubilden. Ein Ergebnis ist, dass den atomar aufgelösten Abbildungen entnommen werden kann, in welcher absoluten Orientierung untersucht wurde, was dem Betrachten einer Hand vom Handrücken oder von der Handfläche her entspricht. Ein weiteres untersuchtes Material ist Zinkoxid mit Zusätzen von Indium. Das Indium verursacht Orientierungsdomänen und damit verbunden kleinste Störungen des Kristallgitters in Form von Verbiegungen der normalerweise planaren Kristall- Gitterebenen. Die Abbildungen an den neuen Geräten am Ernst Ruska-Centrum erlaubten es aufzuklären, welche Atomsorte, die Sauerstoffatome oder die Metallatome, für die Verbiegungen verantwortlich sind, was wiederum nur aufgrund der getrennten Abbildung der beiden Untergitter möglich wurde. Zudem konnten alle Plätze und damit die Verteilung der zugegebenen Indiumatome bestimmt werden, was herkömmliche Methoden der Strukturaufklärung wie die Röntgenbeugung nicht leisten kann. Die am Projekt beteiligten Wissenschaftler sind begeistert über die Ergebnisse und über die neuartigen Einblicke in den Mikrokosmos atomarer Strukturen von 'Festkörpern. Die hier erhaltenen Ergebnisse lassen auf viele weitere "atomare" Einblicke in andere Kristalle und Materialien hoffen.
Publications
- M. Svete, L. Houben, K. Tillmann, W. Mader: Imaging Light Atoms at Sub- Angstrom Resolution in an Image Side Cs-Corrected Electron Microscope FEI Titan 80-300; Micr. Microanal. Vol. 13 Suppl. 3 (2007) 30.
- W. Yu, L. Houben, K. Tillmann, W. Mader: Phase contrast and HAADF imaging of structures in In2Os-ZnO compounds in Cs-corrected electron microscopes', Micr. Microanal. Vol. 13 Suppl. 3 (2007) 28.
