Forscher der Freien Universität und des CEMES Toulouse erforschen mechanische Kristalleigenschaften auf der atomaren Skala

12.05.2010 - Deutschland

Mitarbeitern der Forschergruppe von Experimentalphysiker Leonhard Grill von der Freien Universität Berlin ist es in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern um Christian Joachim vom Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES) in Toulouse im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes „Pico-Inside“ erstmals gelungen, nur wenige Atomlagen dünne kristalline Kochsalz-Filme zu strukturieren.

Dies ist bedeutsam für künftige Verfahren in den Materialwissenschaften; Kochsalzstrukturen sind von besonderem Interesse, da sie als elektrische Isolatoren innerhalb von Schaltkreisen einer zukünftigen Molekularen Elektronik dienen könnten.

Mithilfe des Verfahrens lassen sich Nano-Kristallite kontrolliert schneiden und brechen sowie gezielt positionieren. Darüber hinaus konnten die Forscher zeigen, dass das aus der makroskopischen Physik seit mehr als 300 Jahren bekannte Hookesche Gesetz auch auf der atomaren Skala, bei der Verbiegung von Nanostrukturen, gültig ist. Dem Hookeschen Gesetz zufolge dehnt sich ein makroskopischer Körper proportional zu der auf ihn wirkenden Kraft aus.

Das mechanische Verhalten von Kristallen unter Belastung reicht von elastischer Verformung bis hin zu dauerhafter Veränderung. Während Materialien mit makroskopischen Abmessungen in Bezug auf ihr mechanisches Verhalten gut erforscht sind, gibt es wegen der experimentellen Herausforderungen bisher keine Untersuchungen auf der Skala weniger Nanometer, nahe dem Bereich der atomaren Abstände im Kristall. Dabei interessiert zum einen die Ausbreitung von elastischer Verformung innerhalb kristalliner Nanostrukturen sowie der Übergang zum Brechen. Zum anderen bietet die Fähigkeit zur kontrollierten Verformung die Möglichkeit, spezifische Strukturen auf der atomaren Ebene aufzubauen.

Die Wissenschaftler ließen die Kochsalz-Kristallite mit Abmessungen im Bereich weniger Nanometer im Ultrahochvakuum auf einem Kupferkristall wachsen. Anschließend wurde die Spitze eines Rastertunnelmikroskops verwendet, um die Kristallite auf der Oberfläche entweder zu verschieben, wie mit einem Messer zu schneiden - wobei sich Kanäle mit der Breite weniger Atome ergeben - oder zu brechen. Beim Brechen der Kristallite kommt es zuerst zu einer elastischen Verbiegung und im Anschluss zum Bruch entlang einer kristallinen Vorzugsrichtung, also zu plastischer Verformung. Rechnungen machen die Verteilung der elastischen Verspannung im Kristallit deutlich und zeigen, dass die elastische Verformung dem seit dem 17. Jahrhundert bekannten Hookeschen Gesetz folgt.

Das Verständnis mechanischer Eigenschaften auf der atomaren Skala ist von großer Bedeutung für Materialeigenschaften unter Belastung; die Reaktion reicht von elastischer Verformung bis zur Ausbildung von Versetzungslinien und permanenter Veränderung. Der in der Forschungsarbeit erfolgreich umgesetzte Ansatz eröffnet eine Möglichkeit, das mechanische Verhalten von Materialien in kleinsten Dimensionen zu studieren. Darüber hinaus konnten die Nano-Kristallite gezielt strukturiert werden, was in Zukunft nach Einschätzung der Wissenschaftler das Potenzial zum gezielten Aufbau von Strukturen auf der atomaren Ebene bietet.

Originalveröffentlichung: Ch. Bombis, F. Ample, J. Mielke, M. Mannsberger, C. J. Villagómez, Ch. Roth, C. Joachim, and L. Grill; "Mechanical behavior of nanocrystalline NaCl islands on Cu(111)"; Physical Review Letters, 7. Mai 2010

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