Forscher fanden überraschend hohe Zwillings-Dichten in Alu-Schichten

18. Oktober 2019 - 20:05

"Zwillinge" sind spezielle Fehler in der Atomstruktur von Metallen, die ihnen hohe Härte verleihen - ohne Verlust bei der elektrischen Leitfähigkeit. Bisher schien es nicht möglich, Aluminium mit hoher Zwillings-Dichte herzustellen. Doch österreichische Forscher fanden nun in elektrochemisch abgeschiedenen Alu-Schichten dichtgepackt solche Zwillinge, berichten sie im Fachblatt "Science Advances".

Studienautor Christoph Gammer im Labor der ÖAW
Studienautor Christoph Gammer im Labor der ÖAW

Metalle zeichnen sich durch eine regelmäßige Anordnung der Atome aus. Unregelmäßigkeiten können die Eigenschaften von Werkstoffen verschlechtern, aber auch verbessern. Zwillinge sind ein bestimmter Typ solcher Fehler. Dabei sind zwei Bereiche der atomaren Struktur spiegelbildlich zueinander angeordnet. "In Kupfer kommen solche Zwillinge häufig vor, in Aluminium dagegen kaum, da es dort energetisch sehr ungünstig ist, derartige Strukturen auszubilden", erklärte Christoph Gammer vom Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Leoben im Gespräch mit der APA.

Perfekt symmetrische Fehler

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Für die Studie stellte Lidija Rafailovic vom Kompetenzzentrum für elektrochemische Oberflächentechnologie (CEST) in Wiener Neustadt dünne Aluminium-Schichten in einem galvanischen Verfahren elektrochemisch her. Das Material wächst dabei Atom um Atom aus einer Flüssigkeit mit Aluminiumsalz. Im Anschluss wurde das Material mit modernsten elektronenmikroskopischen Methoden in atomarer Auflösung untersucht. "Wir waren völlig überrascht, in diesen Schichten eine so hohe Zwillingsdichte zu finden", sagte Gammer.

Die perfekt symmetrischen Fehlstellen verleihen dem Aluminium große Härte und gute Verformbarkeit, ohne die gute Leitfähigkeit des Materials herabzusetzen. Mit Peter Karnthaler vom Fachbereich Physik Nanostrukturierter Materialien der Universität Wien und Kollegen aus Serbien und Schweden haben die Wissenschafter ein Computermodell ausgearbeitet, um zu klären, wie es zu dieser hohen Zwillings-Dichte kommt. Sie zeigten, dass einzelne Wasserstoffatome während der elektrolytischen Abscheidung die Entstehung der Zwillinge bewirken.

Über die Zahl der Wasserstoffatome ließe sich auch der Prozess der Zwillings-Entstehung steuern. Weil mittels elektrolytischer Abscheidung auch größere Bauteile mit Aluminium beschichtet werden können, zeichnen sich daher auch verschiedene Anwendungsmöglichkeiten ab. Die Wissenschafter nennen etwa den Einsatz als Stromkollektor in Batterien, korrosionsbeständige Beschichtungen jeglicher Art oder der Ersatz von toxischen Kadmiumbeschichtungen in der Luftfahrtindustrie.

Service: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aax3894

(APA/red, Foto: APA/ÖAW/Klaus Pichler)


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