Synthesis, electronic structure, elastic properties, and interfacial behavior of icosahedral boron-rich solids

  • Synthese, elektronische Struktur, elastische Eigeschaften und Grenzflächenverhalten von ikosaedrischen borreichen Feststoffen

Hunold, Oliver; Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor); Mayrhofer, Paul H. (Thesis advisor)

Aachen : Shaker Verlag (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Materials Chemistry Dissertation 27 (2017)
Seite(n)/Artikel-Nr.: xi, 104 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Bor-reiche Feststoffe sind üblicherweise durch ikosaedrische Cluster charakterisiert, wobei 12 Bor-Atome einen Ikosaeder bilden, was zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Transporteigenschaften führt. Jedoch sind weitverbreitete Anwendungen aufgrund der hohen Synthesetemperatur begrenzt. Diese ist erforderlich, um die Ikosaeder-basierte kristalline Struktur zu erhalten. Unter Verwendung von Hochleistungspulsmagnetronsputtern (englisch: high power pulsed magnetron sputtering, HPPMS) kann die Abscheidetemperatur im Vergleich zum Gleichstrommagnetronsputtern durch erhöhte Oberflächendiffusion verringert werden. Daher wurde HPPMS verwendet, um den Einfluss der Substrattemperatur auf die strukturelle Entwicklung von Bor-reichen Al-Y-B Dünnschichten zu untersuchen. Die Bildung der beabsichtigten AlYB$_{14}$-Phase zusammen mit der (Y,Al)B$_{6}$-Verunreinigungsphase, die 1,8 Atom % weniger Bor als AlYB$_{14}$ enthält, wurde bei einer Synthesetemperatur von 800 °C, und somit 600 °C unterhalb der Bulksynthesetemperatur, beobachtet. Aufgrund von Berechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) wird geschlussfolgert, dass sehr kleine Schwankungen der Zusammensetzung zur Bildung von konkurrierenden Phasen, wie (Y,Al)B$_{6}$, führen können, jedoch begrenzt eine Synthesetemperatur von 800 °C den Einsatz noch erheblich. Daher wurde quantenmechanisch geführtes Werkstoffdesign angewendet, um Phasen mit höheren Phasenstabilitäten im Vergleich zu AlYB$_{14}$ zu identifizieren. Die Phasenstabilität von T$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$ (T = Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb, Si) hängt entscheidend von der exakten Größe der Ladung ab, die von T und Y zu den Bor-Ikosaedern übertragen wird. Die höchsten Phasenstabilitäten wurden für Sc$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$, Ti$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$ und Zr$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$ identifiziert. In Kombination mit Elastizitätsmodulen von bis zu 517 GPa sind diese Phasen hinsichtlich des Verschleißwiderstands sehr interessant. Noch limitieren die hohen Synthesetemperaturen den Einsatz solcher Systeme auf technologisch relevanten Substratmaterialien. Jedoch zeigen amorphe Bor-reiche Feststoffe, die ohne zusätzliche Wärmeeinbringung synthetisiert werden können, attraktive mechanische und elektrische Eigenschaften. Innerhalb dieser Feststoffe stellt ein dichtes Bor-Netzwerk, gekennzeichnet durch Ikosaeder-ähnliche Bindungen, die erforderliche elektronische Struktur bereit. Die Elastizitätsmodule des amorphen T’$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$ (a-T’$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$, T’ = Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb) erreichen Werte bis zu 393 GPa für a-Nb$_{0.75}$Y$_{0.75}$B$_{14}$. Um diese vorhergesagten Daten experimentell kritisch zu beurteilen, wurden a-TiYB$_{14}$- und a-ZrYB$_{14}$ Dünnschichten synthetisiert. Die chemische Analyse der Zusammensetzung zeigt das Vorhandensein von hohen Sauerstoffverunreinigungen. Die gemessenen Elastizitätsmodule für a-TiYB$_{14}$ (301 ± 8 GPa) und a-ZrYB$_{14}$ (306 ± 9 GPa) sind mehr als 20% kleiner als die vorhergesagten Werte, aber dennoch vergleichbar mit anderen Hartstoffschichten. Diese Abweichungen können auf Grundlage theoretischer Daten erklärt werden, die zeigen, dass das Vorhandensein von Sauerstoffverunreinigungen das dichte Bor-Netzwerk stört, welches eine gleichzeitige Abnahme der Molendichte und des Elastizitätsmoduls bewirkt. Dies wiederum unterstreicht den möglichen Einsatz von amorphen Übergangsmetallboriden, die sogar bei Raumtemperatur synthetisiert werden können, und Steifigkeitswerte bis zu 82% im Vergleich zu TiB$_{2}$ aufweisen. Daher wurde in einem ersten Schritt in Richtung Anwendung die Eignung von a-AlYB$_{14}$ als Beschichtung für die Polymerformgebung untersucht. Der Einfluss der Oberflächenoxidation auf die Wechselwirkung zwischen CH$_{4}$ und a AlYB$_{14}$ wurde theoretisch unter Verwendung von DFT-Berechnungen und experimentell durch Ultrahochvakuum-Atomkraftmikroskopie untersucht. Theorie und Experimente zeigen den gleichen Trend, da die Interaktion für das oxidierte Szenario zunimmt. Sauerstoff-Chemisorption induziert Veränderungen der Oberflächenbindungen, die zu den höheren Wechselwirkungen für den letzteren Fall führen. Diese Daten dienen als Konzeptnachweis für die hier durchgeführte Forschungsstrategie zur Untersuchung von Polymer-Hartstoffschicht-Wechselwirkungen in unterschiedlichen Atmosphären auf der Grundlage von korrelativen experimentellen und theoretischen Methoden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis des elektronischen Struktur-Elastizitäts-Verhältnisses von ikosaedrischen Bor-reichen Feststoffen bei und beinhalten wichtige Aspekte für die Anwendungen, wie den Einfluss von Verunreinigungen auf die elastischen Eigenschaften, die Bildung von konkurrierenden Phasen während der Synthese und die Auswirkung der Atmosphärenexponierung auf die Wechselwirkung mit einem Werkstück.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern