Bestrahlung eines Materials, um es neu anzuordnen
Numerische Simulation der Ordnung durch Bestrahlung eines Eisen-Palladium (FePd) Legierungsfilms zwischen zwei Schichten von Pd.
Bestrahlt man ein Material mit Nuklearpartikeln, wird das Material üblicherweise stark beschädigt. In Nuklearreaktoren führen die bestrahlungsbedingten Kollisionen zu einer Unordnung der Kristallstruktur und ändern die mechanischen und chemischen Eigenschaften der inneren Strukturen des Reaktors.
Es gibt jedoch Ausnahmen. Französischen Forschern des CNRS und des CEA (Zentrum für Atomenergie), in Zusammenarbeit mit deutschen Forschern des FZ-Rossendorf in Dresden, ist es überraschenderweise gelungen, die bestrahlungsbedingte chemische Anordnung eines metallischen Materials vorauszusagen.
Eine einfache Legierung mit 2 Komponenten, A und B, mit einer bestimmten Kristallstruktur (z.B. kubisch) hat normalerweise zwei Formen: eine chemisch ungeordnete Form mit einer zufälligen Anordnung der A und B Atome, und eine chemisch geordnete Form, bei der die A und B Atome bestimmte relative Positionen haben. Üblicherweise erreicht man die geordnete Form durch Erhitzung mit ausreichenden Temperaturen (zwischen 600°C und 1000°C), so dass Leerstellen im Kristall entstehen und die A und B Atome ihre Plätze tauschen können.
Die Forscher haben nun nachgewiesen, dass man das selbe Ergebnis durch Bestrahlung erreichen kann: Leerstellen werden vom Strahl geschaffen und Atome wechseln ihre Plätze, wobei sich dieser Prozess bei niedriger Temperatur vollzieht. Durch genaue Kontrolle der Parameter des Strahls bei nur 200-300°C wird eine Relaxation des Systems nach seinem stabileren geordneten Zustand ermöglicht.
Diese Idee wurde bereits Anfang der 60er Jahre vom französischen Nobelpreisträger Louis Néel vorgeschlagen und geriet anschließend wieder in Vergessenheit. Die französisch-deutsche Kooperation entwickelte eine Technik, die die Anordnung von Eisen-Platin (FePt) und Eisen-Palladium (FePd) Legierungen schrittweise induziert. Diese Legierungen haben Eigenschaften, die von großem Interesse für die zukünftigen Medien bezüglich der ultradichten magnetischen Informationsspeicherung sind. Numerische Simulationen ermöglichen die Modellierung ganzer Anordnungsmechanismen und ebenso diese Legierungen bei niedriger Temperatur nach ihrer Synthese zu verändern. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Herstellung von ultraharten Schichten zur Oberflächenbehandlung.
Zum Bild 1: Numerische Simulation der Ordnung durch Bestrahlung eines Eisen-Palladium (FePd) Legierungsfilms zwischen zwei Schichten von Pd. Die Pd Atome sind schwarz, die Eisenatome weiß. Links sieht man den unbestrahlten Film: von links nach rechts wird der Film stärker und stärker bestrahlt (die Zahlen sind proportional zum Bestrahlungsniveau). Die "Fahnenstruktur" nach der Bestrahlung wird von der Anordnung verursacht. In der senkrechten Richtung gibt es eine Reihe von Plänen, die nach und nach ausschließlich aus Fe und Pd Atomen bestehen. Diese Anordnung ist beinahe komplett.
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Harry Bernas
Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse
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