Mikrocharakterisierung nanokristalliner Nickel-Phosphor- und Eisen-Silber-Legierungen mit der Tomographischen Atomsonde

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der nanostrukturellen Entwicklung von nano- kristallinen (Korngrößen kleiner 10 nm), binären Fe-Ag- und Ni-P-Legierungen nach wärme- behandlungen mit Hilfe einer ortsauflösenden 3D-Atomsonde, der Tomographischen Atom- sonde (T AP), und ergänzenden Methoden. Beide Materialien zeigen eine ungewöhnliche ther- mische Stabilität der Kornstruktur. Dabei hat die räumliche Verteilung der Legierungselemen- te in den Nanostrukturen einen wesentlichen Einfluss. Für die mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition (PLD) als dünne Schichten hergestellten Fe- Ag-Legierungen kann eine homogene Übersättigung -weit über die Löslichkeitsgrenze hinaus -bis zu Konzentrationen von 3 At. % Ag unmittelbar nachgewiesen werden. Ferner zeigt sich, dass winkelabhängiges präferentielles Sputtern des Silbers bei der PLD einen wesentlichen Einfluss auf die Zusammensetzung und Struktur der Schichten hat insbesondere bei der Depo- sition auf Substratspitzen mit gekrümmten Oberflächen. Röntgenographische Untersuchungen an planar aufgewachsenen Schichten deuten darauf hin, dass ein Großteil des Silbers in den Korngrenzen segregiert und damit die thermische Stabilität verursacht. Dabei wird ein maxi- mal möglicher Ag-Korngrenzen-Exzess von 3,7x1019 m-2 errechnet. Ni-P-Legierungen mit P-Gehalten zwischen 3 und 12 At. %, die mittels chemischer Abschei- dung hergestellt werden, weisen Korngrößen zwischen 7 und 3 nm auf. Irn Abscheidezustand wird eine starke Übersättigung der Nickel-Körner mit Phosphor beobachtet. wärmebehand- lungen bis zu 320 oC führen zu einer leichten Vergröberung der Kornstrukturen, die sich an- schließend bei längerer Auslagerungsdauer stabilisiert. Bei höheren Temperaturen bis zu 400°C setzt die Bildung der Ni3P-Phase ein. Damit verbunden ist dann der Beginn eines rapiden Kornwachstums. Es wird gezeigt, dass die Ursache für die thermische Stabilisierung in der Segregation des Phosphors in den Korngrenzen -sie kann mit T AP unmittelbar nachge- wiesen und genauer untersucht werden -besteht. Der P-Korngrenzen-Exzess strebt dabei un- abhängig von der mittleren Konzentration einen Sättigungswert von ro = 9xl018 m-2 an. Auf Basis dieses konstanten Exzesses wird ein parameterfreier Zusammenhang zwischen der mitt- leren P-K! onzentration und der stabilisierten Korngröße, der sehr gut mit experimentellen Er- gebnissen übereinstimmt, abgeleitet. Der mittlere P-Gehalt und die Sättigungs-Segregation bestimmen die Korngröße des Materials. Als Mechanismen für die thermische Stabilität werden kinetische und thermodynamische Hemmung diskutiert. Letzterer Einfluss, d. h. die deutliche Absenkung der Korngrenzenenergie durch die Segregation und damit verbunden die Absenkung der treibenden Kraft für das Kornwachstum, scheint dabei zu überwiegen. Die thermische Stabilisierung der Körner kann daher auch als Einstellung eines metastabilen Gleichgewichtes aufgefasst werden, sofern die treibende Kraft des Kornwachstums auf Null abgesenkt würde