Defektchemie und thermische Behandlung der Versetzungsmechanik in SrTiO3

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Xufei Fang
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510801687

Die Eigenschaften von modernen funktionellen Oxiden können durch eine gezielte Änderung der Defektchemie, d.h. durch das Einbringen von Punktdefekten, maßgeschneidert werden. Dabei werden meist Ladungen in das Kristallgitter eingebracht. Ein alternativer Ansatz zur Änderung der funktionalen Eigenschaften stellt das Einbringen von Versetzungen dar. Versetzungen sind Liniendefekte, welche in Oxiden stark geladen sein können, dadurch kommt es zur Wechselwirkung mit Punktdefekten. In den letzten Jahren hat dieser neue Ansatz zunehmendes Forschungsinteresse auf sich gezogen. In vielversprechenden Proofs-of-Concepts konnte gezeigt werden, dass sich die funktionalen Eigenschaften von Oxiden, wie die elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Supraleitung durch eine Änderung der Versetzungsstruktur gezielt beeinflusst werden können. Keramiken werden typischerweise bei hohen Temperaturen verarbeitet, dabei werden die vorliegenden Punktdefekte während des Abkühlens weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht eingefroren. Aus diesem Grund kommt es unweigerlich zu Wechselwirkungen zwischen den eingebrachten Versetzungen und den zahlreichen Punktdefekten in keramischen Oxiden. Daher stellen sich folgende wissenschaftlich relevante Fragen:1) Werden die mechanischen Eigenschaften, wie die Plastizität und das Rissverhalten durch die Wechselwirkung von Versetzungen und Punktdefekten verändert?2) Wie interagieren die Punktdefekte mit zuvor eingebrachten Versetzungen als Funktion der Temperatur und der Aufheiz-/Abkühlrate, wobei letztere das thermodynamische Gleichgewicht beeinflusst?3) Welchen Beitrag liefern die elektrostatischen Felder von Linien- und Punktdefekten zur Mischkristallhärtung? Wie wirkt sich eine Änderung der Defektchemie der Probe auf die Versetzungsmobilität aus?Im Rahmen des Projektes möchten wir diese Fragestellungen beantworten und ein neues Licht auf die thermische Stabilität von Versetzungen und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften werfen, die für die versetzungskontrollierte Funktionalität sowie die mechanische Zuverlässigkeit der Komponenten entscheidend ist. Dafür wird einkristallines SrTiO3 (mit unterschiedlichen Bedingungen der Defektchemie) als Referenzmaterial verwendet und nano-/mikromechanische Tests bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um 1) die Versetzungsnukleation und -multiplikation, modifiziert durch Punktdefekte, zu untersuchen. Weiterhin soll 2) die Wechselwirkung zwischen den erzeugten Versetzungen und Punktdefekten, welche die Versetzungsbewegung beeinflusst, untersucht werden. Neben der Plastizität soll auch das Rissverhalten (Rissbildung und -fortschritt) der Materialien unter Berücksichtigung des Versetzungsverhaltens erforscht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst