Einführungskapitel: Nanokristalline Materialien

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Einführung

Nanokristalline Materialien waren in den letzten 30 Jahren ein heißes Forschungsthema. Diese Materialien sind in der Industrie im Überfluss vorhanden und schließen die Lücke zwischen molekularen und makroskaligen Objekten. Nanocrystalline Materialien sind ultrafine-gekörnte einphasige oder Mehrphasenpolykristalle mit Korngrößen in der Strecke 1-100 Nanometer, wie in Abbildung 1, das Übertragungselektronenmikroskopie (TEM)-Bild der F.E.-ansässigen nanocrystalline Beschichtung dargestellt. Tatsächlich befinden sich die extrem kleinen Größen und ein großer Volumenanteil der Atome an den Korngrenzen; andererseits bestehen diese Materialien aus etwa 50 vol.% kristalline Komponente und 50 Vol.% Grenzflächenkomponente.

Abbildung 1.

TEM-Aufnahme einer Fe-basierten nanokristallinen Beschichtung (unveröffentlichtes Bild).

Es ist erkennbar, dass die Nanokristalle typischerweise als etwas spezifiziert sind, wie kleinkörnige polykristalline Materialien, nanosynthetische Oberflächen, Nanopartikel und Polymermizellen; jeder von ihnen hat unterschiedliche Verwendungen, von der Arzneimittelabgabe bis hin zu Superkondensatoren, Katalysatoren und Sensoren. Diese Materialien sind aus folgenden Gründen von Interesse:

  1. Die Eigenschaften von nanokristallinen Materialien unterscheiden sich von den Eigenschaften von Einkristallen und grobkörnigen Polykristallen und sind bei gleicher chemischer Zusammensetzung amorph. Diese Abweichung hängt stark mit der reduzierten Kristallitgröße sowie der großen Menge an Korngrenzen zwischen benachbarten Kristalliten zusammen.

  2. Das Konzept der nanokristallinen Materialien scheint das Legieren von Komponenten zu erlauben, die im festen oder geschmolzenen Zustand nicht mischbar sind. Diese hergestellten Legierungen könnten gute Kandidaten für fortschrittliche und technologisch hervorragende Eigenschaften sein.

Es ist deutlich zu erkennen, dass die nanokristallinen Materialien im Nanometerbereich einen hohen Korngrenzenvolumenanteil aufweisen; Daher spielen Korngrenzen und ihre Wechselwirkungen mit Kristall eine bemerkenswerte Rolle bei den verschiedenen Eigenschaften. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass diese nanokristallinen Materialien als eine neue Generation fortschrittlicher Materialien überlegene Eigenschaften gegenüber herkömmlichen grobkörnigen polykristallinen Materialien aufweisen. Sie weisen hervorragende mechanische und physikalische Eigenschaften auf, wie hohe Festigkeit und Härte, niedriger Elastizitätsmodul, verbesserte Duktilität / Zähigkeit, ausgezeichnete Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit, erhöhte Diffusivität, höherer elektrischer Widerstand, verringerte Dichte, höherer Wärmeausdehnungskoeffizient, erhöhte spezifische Wärme, geringere Wärmeleitfähigkeit und bessere weichmagnetische Eigenschaften.

Nanokristalline Materialien können durch Gaskondensation, Plasmaabscheidung, Spritzkonversionstechnik, mechanisches Legieren und einige andere Methoden hergestellt werden. Offensichtlich gibt es zwei Ansätze, um die nanokristallinen Materialien herzustellen: „Top-down“ und „Bottom-up“.“ Beide Ansätze spielen in der Industrie eine bedeutende Rolle und haben einige Vor- und Nachteile. Bottom-up-Ansatz ist nichts Neues in der Materialsynthese und oft in der Nanotechnologie Literatur betont. Tatsächlich besteht die typische Synthese von Materialien darin, Atom für Atom in großem Maßstab aufzubauen, und wird seit über einem Jahrhundert in industriellen Anwendungen eingesetzt. Bottom-up-Ansatz erwähnt den Aufbau eines Materials von unten als Molekül für Molekül, Atom für Atom oder Cluster für Cluster. Im Prozess des Kristallwachstums bauen sich die Wachstumsspezies wie Atome, Moleküle und Ionen nach dem Auftreffen auf die Wachstumsoberfläche nacheinander zu einer Kristallstruktur zusammen. Bottom-up-Ansatz verspricht auch eine bessere Chance, nanokristalline Materialien mit weniger Defekten, homogenerer chemischer Zusammensetzung und höherer Kurz- und Langstreckenordnung zu erhalten. Es ist erkennbar, dass der Bottom-up-Ansatz hauptsächlich durch die Reduktion der freien Gibbs-Energie (ΔG) angetrieben wird, so dass sich die nanokristallinen Materialien in einem Zustand befinden, der näher an einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand liegt. Im Gegensatz dazu setzt der Top-Down-Ansatz neben Verunreinigungen und Oberflächenfehlern höchstwahrscheinlich auch innere Spannungen ein. Abrieb oder Kugelmahlen ist eine generische Top-Down-Methode bei der Herstellung von Nanostrukturen, während die kolloidale Dispersion oder gasbasierte Reduktion ein übliches Beispiel für einen Bottom-up-Ansatz ist. Ersteres erzeugt polykristalline Strukturen mit irreproduzierbarer Kristallographie und schlecht kontrollierter Kornorientierung. Letzteres hat eine reproduzierbare Sammlung von Strukturen und Architekturen erzeugt, einschließlich Legierungen, reinen Metallen, anisotropen Nanostrukturen und Kern-Schale. In der Lithographie kann der Prozess als hybrider Ansatz angenommen werden, da das Dünnschichtwachstum von unten nach oben und das Ätzen von oben nach unten erfolgt, während die Nanolithographie im Allgemeinen ein Bottom-up-Ansatz ist.

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