Erzeugung und Untersuchung von Nanokristallen in graphitischen Schalen mittels in-situ-Elektronenmikroskopie
Final Report Abstract
Metallische Nanokristalle, die in graphitische Schalen eingeschlossen sind, zeigen eine Vielzahl von ungewöhnlichen Phänomenen, wenn sie intensiver Elektronenbestrahlung ausgesetzt werden. Die Eigenschaft sphärisch oder zylindrisch geschlossener graphitischer Schalen, Bestrahlungsdefekte durch Umstrukturierung des Gitters bei gleichzeitiger Verringerung ihrer Oberfläche zu eliminieren, macht sie zu einzigartigen Nanolaboratorien zum Studium von eingeschlossenen Nanokristallen. Die Untersuchung von Bestrahlungsphänomenen in diesen core-sfce//-Strukturen mittels /n-stfu-Elektronenmikroskopie war Gegenstand des Projekts. Zahlreiche Metalte (Au, Pt, Fe, Co, Ni, Mo, W etc.) wurden durch Verdampfung im Kohlelichtbogen in polyedrische oder sphärische graphitische Käfige eingeschlossen. Nanoröhrchen mit eingeschlossenen Metalldrähten wurden in Kooperation mit externen Partnern mittels CVD hergestellt. Diese Kompositteilchen mit Abmessungen im Nanometerbereich wurden in einem großen Temperaturbereich (300 - 1000°C) im Elektronenmikroskop mit Elektronen (300 keV) bestrahlt, während ihre strukturelle Entwicklung mit atomarer Auflösung beobachtet werden konnte. Experimente an Fe-Kristallen in sphärischen Graphitschalen zeigten eine Reaktion des Kristalls mit Graphit zu Fe3C. Diese Reaktion konnte mit hoher Ortsauflösung beobachtet werden. Damit wurde gezeigt, daß sich graphitische Zellen zum Studium von Festkörperreaktionen in Nanosystemen verwenden lassen. Graphitische Schalen kollabieren unter Elektronenbestrahlung und bauen in ihrem Innern hohen Druck auf. Der Druck konnte in diesem Projekt erstmals quantitativ bestimmt werden. Dazu wurden die Netzebenenabstände in verschiedenen Metallkristallen, die in mehrschalige Fullerene (carbon onions) oder Kohlenstoff- Nanoröhrchen eingeschlossen waren, ausgemessen. Die Auswertung ergab Drücke der Größenordnung 20 GPa. Durch Bestrahlung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit metallischen Kernen konnte die Wirkung der Röhrchen als Druckzeilen demonstriert werden. Die eingeschlossenen Metalldrähte wurden beim Kollaps der Röhrchen stark verformt. Im Verlauf dieser Experimente wurde unerwartet beobachtet, daß Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus Metallkristallen heraus wachsen können, wenn Kohlenstoffatome durch Elektronenstoß in die Kristalle implantiert werden. Die Diffusion von Metallatomen in graphitischen Schalen wurde durch Beobachtung von Au- und Pt-Atomen in Graphen-Schichten quantitativ bestimmt. Aus der Vermessung der Diffusionslängen bei verschiedenen Temperaturen wurde eine Aktivierungsenergie für Sprünge der Metallatome, die sich auf regulären Gitterplätzen befinden, von 2,3 eV bestimmt. Durch Herstellung einer speziellen Geometrie der graphitischen Druckzellen mittels Elektronenbestrahlung konnte die plastische Deformation von Au- und Pt- Kristallen im Detail untersucht werden. Abhängig von der Temperatur zeigte sich ein durch planare oder linienhafte Defekte bestimmtes Verformungsverhalten. Damit wurde erstmals die Deformation einzelner Nanokristallite experimentell untersucht. Aus der Projektarbeit sind 6 Veröffentlichungen hervorgegangen, davon jeweils eine in Science und Nature Nanotechnology.
Publications
- J.A. Rodriguez-Manzo, M. Terrones, H. Terrones, H.W. Kroto, L. Sun and F. Banhart "In-situ nucleation of carbon nanotubes by the injection of carbon atoms into metal particles" Nature Nanotechnology2, 307-311 (2007)
- L. Sun and F. Banhart "Graphitic onions as reaction cells on the nanoscale" Applied Physics Letters 88, 193121 (2006)
- L. Sun, F. Banhart, A. Krasheninnikov, J.A. Rodriguez-Manzo, M. Terrones and P.M. Ajayan "Carbon nanotubes as high-pressure cylinders and nano-extruders" Science 312,1199-1202 (2006)
- L. Sun, J.A. Rodriguez-Manzo and F. Banhart "The elastic deformation of metal nanocrystallites encapsulated in contracting carbon nanotubes and carbon onions" Applied Physics Letters 89, 263104 (2006)
