Bestimmung von Platzbesetzung und Bindungsenergien mittels Atomsondentomographie

Abstract

Die Platzbesetzung ternärer Elemente in einer intermetallischen Phase ist ein wichtiges Betätigungsfeld der Materialphysik. Bisher sind zur Untersuchung dieser Phänomene röntgenbasierte Methoden sowie Atom Location by Channeling Enhanced Microanalysis (ALCHEMI), ein auf Transmissionselektronenmikroskopie aufbauendes Verfahren, üblich. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Nutzung der Atomsondentomographie. Diese hat gegenüber ALCHEMI den Vorteil, dass auch leichte Elemente wie Lithium nachgewiesen werden können. Zudem ist es möglich, verschiedene Isotope desselben Elements unabhängig voneinander zu betrachten. Nicht zuletzt kann eine Ortsabhängigkeit der Parameter innerhalb des analysierten Volumens mit um eine Größenordnung besserer räumlicher Auflösung untersucht werden. Unter optimalen Bedingungen kann ein Volumen von wenigen nm3 ausreichen, um mit der in dieser Arbeit vorgestellten Methode die Platzbesetzung zu bestimmen.Als Modellsystem werden Titan-Aluminium-Legierungen untersucht. In dieser Arbeit wird vorwiegend die L10-Phase betrachtet, welche Überstrukturrichtungen mit einer Abfolge reiner Ti- und Al-Ebenen aufweist. Der Einfluss auf die Feldverdampfung sowie die Platzbesetzung von hinzulegiertem Nb, Ag und Cr werden untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine Unterscheidung verschiedener Netzebenen in Superstrukturrichtungen oft nicht direkt möglich ist. Um dieses Problem zu überwinden wird eine statistische Methode vorgestellt, die quantitative Aussagen über die Platzbesetzung erlaubt.Um zu überprüfen, ob experimentellen Daten im Hinblick auf die Platzbesetzung richtig interpretiert werden, ist es nötig, Feldverdampfungssimulationen durchzuführen. Die Berechnung der Feldverdampfungsfeldstärken erfolgt nach dem Modell von Müller und Schottky über die Ionisationsenergie, Austrittsarbeit und Sublimationsenergie. In dieser Arbeit wird die Sublimationsenergie durch einen Term, der die lokalen Bindungen berücksichtigt, ersetzt. Die dadurch möglichen Simulationen erlauben eine weit genauere Vorhersage der Effekte, die durch einen geringeren Ordnungsgrad oder die Hinzulegierung ternärer Elemente bewirkt werden. Zudem wird ein quantitativer Vergleich der Ergebnisse für unterschiedliche kristallographische Richtungen möglich, was, im Vergleich mit experimentellen Ergebnissen, eine Abschätzung der A-B-Bindungsenergien in L12-Cu3Au-erlaubt. Zur Überprüfung dieses Ergebnisses werden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie ebenfalls Bindungsenergien errechnet, die eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der anderen Methode aufweisen.