Mikrostruktur und Dynamik von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinem Palladium

Diese Arbeit stellt Neutronenkleinwinkelstreuexperimente an Wasserstoff- und Deuterium-dotiertem nanokristallinen Palladium vor, sowie neutronenspektroskopische Experimente zur Untersuchung der Wasserstoff-Diffusion und niederfrequenter Schwingungen in nanokristallinem Palladium. Nanokristalline Materialien bestehen aus Kristalliten, deren Korndurchmesser typischerweise zwischen 2 und 50 nm liegen. Aufgrund der geringen Korngröße befindet sich bei diesen Materialien im Vergleich zu herkömmlichen grob-polykristallinen Materialien ein beträchtlich größerer Anteil der Atome in der ungeordneten Umgebung von Korngrenzen. Dies führt zu einer Vielzahl von neuen interessanten physikalischen Eigenschaften. Ein Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Mikrostruktur von nanokristallinem Palladium mittels Neutronenkleinwinkelstreuung. Um den Informationsgehalt bei diesem Experiment zu erhöhen, wurden durch aufeinanderfolgende Dotierungen der Proben mit Wasserstoff und Deuterium die Streulängenkontraste innerhalb der Proben gezielt geändert. So konnten der mittlere Kornradius, die Korngrenzendicke und die Palladiumdichte in den Korngrenzen ermittelt werden. Weiter ergaben die Messungen an den beiden Wasserstoff- und Deuterium-dotierten Proben, dass sich Wasserstoff und Deuterium bei niedrigen Konzentrationen vorwiegend in den Korngrenzen anlagert. Die Neutronenstreumessungen zu diesem Experiment wurden mit dem Instrument D22 am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble durchgeführt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinen Palladium mittels energieaufgelöster Neutronenstreuexperimente. Speziell der Einfluß der Korngrenzen auf die Wasserstoff-Diffusion und das Schwingungsverhalten des Palladiums sollte hierbei untersucht werden. Bereits in früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Schwingungsverhalten in nanokristallinen Materialien durch den größeren Volumenanteil an Korngrenzen im Vergleich zu grob-polykristallinen Materialien verändert ist. Bei der Untersuchung des Schwingungsverhaltens in dem hier beschriebenen Experiment diente der Wasserstoff als Sonde für die Schwingungen der Palladium-Atome in den Korngrenzen. Der in den Korngrenzen befindliche Wasserstoff folgt den Schwingungsbewegungen der schwereren Palladium-Atome. Da sein inkohärenter Wirkungsquerschnitt deutlich größer ist als der kohärente und der inkohärente Wirkungsquerschnitt von Palladium, können mit der inkohärenten Streuung des Wasserstoffs die niederfrequenten Schwingungsmoden (band modes) des Palladiums sichtbar gemacht werden. Auswertungen des inkohärenten Neutronenstreuspektrums von nanokristallinem Palladium ergaben, dass sich die Phononenzustandsdichte bei niedrigen Frequenzen sehr gut mit einer linearen Frequenzabhängigkeit beschreiben lässt. Aufgrund dieser linearen Frequenzabhängigkeit hat der Intensitätsbeitrag durch Phononen das Aussehen einer quasielastischen Verbreiterung, wie sie auch durch die Wasserstoff-Diffusion entsteht. Diese Tatsache erschwert eine gleichzeitige Auswertung der beiden Beiträge erheblich. Aber dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Wasserstoff-Diffusion bei tiefen Temperaturen zum Erliegen kommt und somit dann auch deren Intensitätsbeitrag verschwindet. Aus diesem Grund wurden in dem hier beschriebenen Experiment viele Neutronenstreumessungen innnerhalb eines Temperaturbereichs von 2 K bis 290 K durchgeführt. Die Auswertung der Messdaten bei tiefen Temperaturen vereinfacht sich dann erheblich, da für die Auswertung dieser Daten kein Intensitätsbeitrag durch Wasserstoff-Diffusion berücksichtigt werden muss. Trotzdem ist die Analyse der bei tiefen Temperaturen gemessenen Daten nach wie vor kompliziert, da der Debye-Waller-Faktor aufgrund der linearen Zustandsdichte verschwindet. Man beobachtet somit keine Nullphononenprozesse mehr sondern nur noch Multiphononenprozesse beliebig hoher Ordnung. Daraus folgt, dass die normalerweise anwendbare Einphononennäherung im Fall von nanokristallinem Palladium nicht mehr gerechtfertigt ist. Aber in dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Phononenstreufunktion auch nummerisch durch eine Fast-Fourier-Transformation der intermediären Phononenstreufunktion berechnet werden kann. Für die hier durchgeführten zeitaufgelösten Neutronenstreuexperimente wurde das Flugzeitspektrometer IN6 am ILL in Grenoble verwendet