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Positronen helfen bei Aufklärung von Nanodefekten

03.12.2010

Wissenschaftler der TU Graz haben mit Hilfe des weltweit intensivsten Positronenstrahls am FRM II Fehlstellen im Atomgitter von nanokristallinen Metallen untersucht. Das Ergebnis ist in den Physical Review Letters veröffentlicht worden.


Das Messgerät CDBS an der Positronenquelle des FRM II, mit dem die Daten gewonnen wurden.

Trotz ihrer Härte können nanokristalline Metalle plastisch gut verformbar sein. Das macht sie zu einem Objekt der Begierde für Wissenschaftler, so auch der Materialphysiker um Prof. Dr. Roland Würschum an der TU Graz. Hergestellt werden die neuen Werkstoffe zum Beispiel, indem sie unter Hochdruck plastisch verformt werden. Dabei schleichen sich Fehlstellen ganz unterschiedlichen Typs auf der Atomebene ein, die für die positiven Eigenschaften des Zielmaterials verantwortlich sind.

Diese Defekte mit ihren positiven Eigenschaften auf das Material wollten die Grazer Wissenschaftler besser verstehen und wandten sich an Dr. Christoph Hugenschmidt, verantwortlicher Wissenschaftler an der Positronenquelle NEPOMUC des FRM II. „Nur hier in Garching bieten wir die für die Messung notwendige hohe Intensität an Positronen an“, sagt Christoph Hugenschmidt. Aufgrund der hohen Intensität mit knapp einer Milliarde Positronen pro Sekunde lassen sich die Messungen bei erhöhten Temperaturen in Minutenschritten durchführen. Dies erlaubte erstmals die Untersuchung der Defektkinetik in diesen Materialien.

Die atomaren Fehlstellen in den Metallen wurden mit der sogenannten Positronenannihilations-Spektroskopie sichtbar. Dabei treffen Positronen aus dem FRM II auf die negativ geladenen Elektronen des Materials. Die beiden Teilchen löschen sich gegenseitig aus und zerstrahlen. Finden die Zerstrahlungsereignisse an Fehlstellen in der atomaren Struktur statt, kommt es zu charakteristischen Änderungen des gemessenen Spektrums. So melden die Positronen zuverlässig, wo sich Defekte im Material befinden.

Zusätzlich untersuchten die Grazer Materialphysiker die Metalle mit einer weiteren Methode und konnten zusammen mit der Positronenuntersuchung am FRM II nachweisen, dass es tatsächlich die Defekte im Material sind, die die mechanisch herausragenden Eigenschaften bewirken.

Originalpublikation:

In situ probing of fast defect annealing in Cu and Ni with a high-intensity positron beam. 10.1103/PhysRevLett.105.146101.