Intergranulare Bereiche in nanokristallinen Keramiken

Neuartige Grenzflächen entstehen infolge der Nanopartikeleinbringung in funktionale Mikro- und Makrostrukturen. Bei der Verarbeitung oxidischer Nanopartikel zu nanokristallinen Keramiken stellt dieser Prozessschritt eine besondere Herausforderung dar, insbesondere wenn es darum geht, die spezifischen Nanopartikel-Eigenschaften zu behalten. Sind darüber hinaus diese Eigenschaften durch die Partikel-Oberflächen bestimmt, so können neu entstehende intergranulare Bereiche vollkommen unerwartete und neuartige Eigenschaften aufweisen. Das vorliegende Projekt ist mit der Erzeugung und den Eigenschaftsveränderungen von Metalloxid-Nanopartikelpulvern, die durch uniaxiales Pressen und Sintern zu nanokristallinen Keramiken verarbeitet werden, befasst. Dazu werden würfelförmige MgO-Partikel mit Oberflächenstruktur-spezifischen optischen Eigenschaften als spektroskopische Partikel- sonden eingesetzt, um so die Auswirkungen des Verdichtungsprozesses auf Grenzflächen, Defekte und die resultierenden optischen und elektronischen Materialeigenschaften schrittweise analysieren zu können. Zur Vorbereitung der keramischen Mikrostruktur auf der Nanoskala wird die Wasser-induzierte Selbstorganisation von ionischen MgO-Nanowürfeln untersucht. Aus dem Anordnungsverhalten der Nanowürfel abgeleitete mechanistische Einsichten bilden die Grundlage zur Erzeugung ausgezeichneter topologischer Anordnungen der Nanowürfel im verdichteten Materialzustand. Darüber hinaus sollen Nanowürfel mit Erdalkalimetall-Dämpfen funktionalisiert werden. Infolge von Verdichtung und thermischer Nachbehandlung der Pulver streben wir die hochdisperse Verteilung der Fremdoxide im Inneren der MgO-basierten Nanokeramiken an und wollen damit eine völlig neue Klasse an transluzenten Konverter-Leuchtstoffen, die im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes lumineszieren, verfügbar machen. In Ergänzung zur Erzeugung von lumineszierenden intergranularen Bereichen sollen diese auch mit halbleitenden Komponenten angereichert werden. Während des Verdichtungs- prozesses non Nanopartikeln des Stoffsystems MgO-MgIn2O4-In2O3 sollen die halbleitenden Eigenschaften des Indiumoxid-hältigen intergranularen Bereiches durch die Wahl der Prozessparameter eingestellt werden. Als Bausteine des keramischen Grundkörpers werden die nanoskaligen MgO-Würfel gleichzeitig auch als Partikelsonden eingesetzt. Von der vorgeschlagenen Vorgehensweise erwarten wir uns grundlegend neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen den Oberflächeneigenschaften der Ausgangspartikel und der Funktionalität des abgeleiteten intergranularen Bereichs innerhalb der nanokristallinen Keramiken, um so eine neue Basis für die wissensbasierte Erzeugung nanokristalliner Funktionswerkstoffe zu legen.

Oxidische Funktionskeramiken sind eine aus unserer Zeit nicht mehr wegdenkbare Werkstoffgruppe. Ihr Einsatz erstreckt sich von der Mikroelektronik, über Materialien zur Energieumwandlung und Katalyse, bis hin zur Verwendung neuartiger Leuchtstoffmaterialien. Die Mikrostruktur innerhalb der verdichteten Keramik, d.h. Anordnung, Struktur und Zusammensetzung der Körner, aber auch der Bereiche zwischen den Körnern, der sogenannten intergranularen Bereiche, sind oft eigenschafts- und damit funktionsbestimmend. Das Forschungsprojekt zielt auf die wissensbasierte Steuerung von Struktur und Zusammensetzung dieser intergranularen Bereiche ab. Dazu wurden Metalloxid-Nanopartikelpulver in der Gasphase erzeugt und dabei kontrolliert Fremdatome zugemischt, die dann während des Prozesses bzw. des Einsatzes der Funktionskeramik als umwandlungs- bzw. funktionsbestimmende Defekte wirken. Zu verschiedenen Teilschritten der Keramikherstellung (z.B. bei der Kompaktierung des Pulvers oder beim Sintern von Nanokompositen) konnten durch diesen Forschungsansatz grundlegende Einblicke in ausgewählte chemische und physikalische Prozesse in Festkörpern gewonnen werden. Dazu zählen die Entdeckung von Radikalbildung in geringfügig kompaktierten Nanopartikel-pulvern, der sehr empfindliche Einfluss von dünnsten Wasseradsorbat-Schichten auf das Sinterverhalten eines Partikelhaufwerkes oder neuartige Phasenentmischungseffekte, die infolge des Sinterns zur Bildung von magnetischen oder halbleitenden Netzwerken innerhalb einer ursprünglich inaktiven polykristallinen Matrix führen können. Mit dem hier gewonnenen Verständnis können mithilfe von Metalloxid-Nanopartikeln bekannter Zusammensetzung und mit kontrollierbarem Entmischungsverhalten, Funktions-keramiken zugänglich gemacht werden, deren Komponenten zum einen verfügbar sind, und die sich zum anderen auch unter verringertem Energieaufwand verarbeiten lassen.