Eine neue Methode zur Züchtung von Einkristallen und zur gleichzeitigen Steuerung ihrer Wachstumsorientierung ohne Schmelzverarbeitung wurde von Dr. Hande Ozcan, Doktorandin in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Texas A&M University, und Dr. Ibrahim Karaman, Abteilungsleiter und Chevron-Professor, entdeckt.
Die Entdeckung dieser neuen Methode zur Steuerung des Kristallwachstums und der Ausrichtung im Festkörper wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Acta Materialia. Die Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Züchtung großer Einkristalle und ihre Fähigkeit, ihre kristallographische Orientierung zu ändern. Die kristallographische Orientierung beschreibt die Ausrichtung der Kristalle innerhalb einer massiven Probe.
„Wir haben in den letzten drei Jahrzehnten an Einkristallen gearbeitet, aber das Züchten der Kristalle durch Schmelzverarbeitung und die Kontrolle ihrer Ausrichtung war eine ziemliche Herausforderung“, sagte Karaman. „Die Methode, die Hande jetzt entdeckt hat, spart uns viel Zeit und bietet mehr Flexibilität. Es gibt mehr zu erforschen; das macht uns so begeistert von dieser neuen Methode.“
Laut der Forschungsarbeit ist die Kontrolle der Größe, Form und kristallographischen Orientierung von Einkristallen von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Eigenschaften zu nutzen. Ozcan sagte, diese Methode sei wichtig für Anwendungen, die Materialien mit anisotropen Eigenschaften erfordern.
„Dieser Mechanismus ermöglicht es diesen Materialien, ihre Orientierung im Festkörper ohne umständliche und kostspielige Schmelzverarbeitungstechniken zu ändern. Dies ist wichtig, da diese Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wenn sie unterschiedliche kristallographische Richtungen haben“, sagte Ozcan.
Zum ersten Mal hat Ozcan gesehen, dass kristallographische Orientierungen in diesem großen Maßstab geändert werden können.
„Dies könnte unsere Betrachtungsweise von Einkristallen und die Manipulation von Materialeigenschaften grundlegend verändern, denn mit Festkörpermethoden können wir nicht nur sehr einfach große Einkristalle züchten, sondern gleichzeitig mit ihrer kristallographischen Orientierung spielen.“ sagte Özcan.
Einkristalle sind für Mikroelektronik, optische Kristalle, magnetische Geräte, Solarzellen, piezoelektrische Komponenten und multifunktionale Legierungen unerlässlich. Ein konkretes Anwendungsbeispiel für diese Materialien sind multifunktionale Formgedächtnislegierungen. Diese Materialien können ihre Form ändern und sich erholen, wenn sie Hitze oder Belastung ausgesetzt werden.
„Zum Beispiel können Sie das Material verformen, wenn Sie eine Last anwenden, aber wenn Sie es loslassen, kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück“, sagte Ozcan.
Diese Eigenschaften hängen stark von der Orientierung des Einkristalls ab; Einige Orientierungen zeigen diese Erholung in perfekter Weise, andere nicht. Daher ist die Steuerung der Orientierung entscheidend, um überlegene funktionelle Eigenschaften zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil dieser Technik besteht laut dem Forschungsbericht darin, dass sie keine komplexe und teure Ausrüstung erfordert.
Herkömmlicherweise werden Schmelzwachstumstechniken, die als Bridgman- und Czochralski-Verfahren bezeichnet werden, verwendet, um große Kristalle mit einer bevorzugten Orientierung zu erhalten. Die Kontrolle der Kristallorientierung ist jedoch immer noch eine Herausforderung.
Diese Verfahren beruhen auf der Verfügbarkeit geeigneter Impfkristalle, einer präzisen Keimbildung und einer Steuerung des thermischen Profils während der Verarbeitung.
Aufgrund dieser Komplexität sind diese Verfahren sehr teuer. Das neue Verfahren wird als Solid-State Crystal Growth (SSCG)-Technik bezeichnet, ein Verfahren, bei dem große Volumenkristalle mit unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen durch einfache Wärmebehandlungen hergestellt werden konnten.
Bei diesem Verfahren sind die hergestellten Kristalle vielseitiger und können eine bessere chemische Homogenität erreichen als bei den traditionell verwendeten Schmelzwachstumstechniken.
Das Forschungsteam von Texas A&M demonstrierte das SSCG-Verfahren in zwei Legierungssystemen, FeMnAlNi und CuMnAl, und erzielte wiederholte, massive Orientierungsänderungen im Festkörper.
Diese Ergebnisse bieten eine neue Strategie, um die Orientierung großer Einkristalle nach Bedarf zu manipulieren, um ihre überlegenen und stark anisotropen Eigenschaften zu nutzen, heißt es in der Forschungsarbeit.
„Dieser Prozess funktioniert mit Materialien, die halbkohärente Ausscheidungen haben und die Zweiphasenregionen in ihrem Phasendiagramm haben“, sagte Ozcan. „Wenn Sie das Material in einem Zweiphasenbereich mehrmals von hohen zu niedrigen Temperaturen wechseln, bilden Ausscheidungen Keime und lösen sich auf und hinterlassen Subkorngrenzen. Dann beginnen die Körner zu wachsen und verringern die überschüssige Subkorngrenzenenergie. Diese Körner wachsen weiter und verschmelzen, und schließlich können Sie einen einzelnen Kristall erhalten.“
Wenn Sie das Material weiter zirkulieren, nachdem es ein Einkristall geworden ist, gibt es keine anderen Möglichkeiten, die überschüssige Energie im System zu reduzieren, und es aktiviert einen Mechanismus, der seine kristallografische Ausrichtung ändert.
„Wir haben diese Technik tatsächlich entdeckt, während wir an etwas anderem gearbeitet haben. Wir haben nicht speziell darauf abgezielt, die kristallographische Ausrichtung zu ändern“, sagte Ozcan. „Wir haben gerade daran gearbeitet, große Einkristalle zu züchten.“
Während dieses Prozesses stellten Ozcan und das Team fest, dass sich die Legierungen in nur wenigen Zyklen in Einkristalle verwandeln würden, und mit weiteren Zyklen stellte sie fest, dass sich die Ausrichtung der Einkristalle vollständig zu ändern begann.
„Ich habe Dr. Karaman die Ergebnisse gezeigt und war so aufgeregt“, sagte sie. „Danach begannen wir zu verstehen, was vor sich ging und warum sich die Kristallorientierung änderte; wir probierten verschiedene Methoden und Verarbeitungspläne aus, um diese Änderung zu manipulieren.
Diese Entdeckung werde umfangreiche Forschungsgebiete eröffnen, sagte sie. Dies ist nur der Anfang dieses aufregenden neuen Weges, neue Materialien zu finden.