Ternäre Verbindungen in den Systemen Al-M-Si (M=Ni,Co,Fe)

Forschungsprojekt P 14762Ternäre Verbindungen in den Systemen Al-M-Si (M = Ni, Co, Fe)Klaus RICHTER09.10.2000 Es ist eine systematische Untersuchung der Phasengleichgewichte, Strukturen und thermochemischen Eigenschaften in den technologisch interessanten Systemen Al-M-Si mit M = Ni, Co, Fe geplant. In einem ersten Schritt werden Phasengleichgewichte und ternäre Reaktionen in den drei Systemen mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Differenz-Thermoanalyse, metallographischen Methoden und Elekronenstrahl-Mikrosonde untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen der Phasendiagramm-Untersuchungen werden die Kristallstrukturen von unzureichend charakterisierten beziehungsweise`neuen ternären Verbindungen mit Hilfe von Einkristall-Röntgenmethoden aufgeklärt. Der Effekt der Substitution von Al und Si in den temären festen Lösungen wird untersucht. Die Ergebnisse der Strukturaufklärung werden als Basis für die Berechnung der elektronischen Bandstruktur herangezogen. Im Bereich der technologisch wichtigen übergangsmetall-reichen Legierungen wie Fe3Al-Fe3Si oder Ni3Al(Si) ist weiters die experimentelle Bestimmung von thermochemischen Eigenschaften mittels Hochtemperatur-Lösungskalorimetrie und EMK-Methoden geplant.

Im Rahmen des Projekts wurde eine detaillierte Untersuchung der beiden ternären Systeme Al-Ni-Si und Al-Co-Si durchgeführt. Es wurden mehrere isotherme Schnitte und Isoplethen experimentell untersucht und die Ergebnisse zu einer vollständigen Beschreibung der ternären Phasenreaktionen kombiniert. Diese Beschreibung beinhaltet neben der Darstellung der verschiedenen isothermen und vertikalen Schnitte eine Liste von invarianten Reaktionen, Scheil Diagramme (reaction schemes) sowie die Projektion der Liquidusoberflächen. Die resultierenden umfangreichen ternären Phasendiagramme bilden eine verlässliche und konsistente Basis für künftige anwendungsorientierte Forschung in diesen auch technologisch interessanten Systemen. In den untersuchten Systemen konnten darüber hinaus eine große Anzahl von neuen Verbindungen synthetisiert und strukturell charakterisiert werden. So konnte im System Al-Ni-Si die bisher unbekannte Struktur der T`-Phase aufgeklärt werden die eine interessante Überstrukturvariante der NiAs-Struktur darstellt (Ni 13+-x Aly Si 9-y , hP66, P31 21). Weiters konnte die bisher unbekannte Tieftemperaturphase Ni16Si 9 Al (oC104, Cmcm) synthetisiert und charakterisiert werden. Das System Al-Co-Si stellte sich als besonders kompliziert und damit fruchtbar für die explorative Synthese dar. Es konnten vier neue Verbindungen charakterisiert werden: Co6 Al11Si 6 (oC184, Cmc2 1 ), Co4 Si 1+x Al8-x (mC26, C2/m), Co19+xAl45ySi 10y (mC296+, C2/c) und Co20Al47xSi 17x (oP168, Pnma). Zwei weitere Phasen die bei den Zusammensetzungen Co32Al45Si 23 und Co42Al32Si 26 auftreten wurden synthetisiert, konnten aber bis jetzt noch nicht strukturell charakterisiert werden. Unter den Ergebnissen des Projekts ist besonders die Entdeckung von zwei Materialien hervorzuheben, deren kubischer Gitterparameter perfekt an den von Silizium angepasst ist, was diese Verbindungen zu hervorragenden Kandidaten für die epitaktische Anwendung auf Silizium macht. Es handelt sich dabei um bestimmte Zusammensetzungen in den festen Lösungen NiSi 2-x Alx und NiSi 2-x Gax mit x = 0.26 für Al und x = 0.17 für Ga. Die Materialien sind bis 1000 C thermisch stabil, im thermodynamischen Gleichgewicht mit Si und besitzen metallische Leitfähigkeit. Erste Ergebnisse von Experimenten mit epitaktischen Filmen auf Si bestätigen das hohe Potential der Verbindungen für eine Anwendung im Halbleiterbereich, wie z. B. im Bereich von dreidimensionalen Halbleiterarchitekturen und metal-base bzw. permeable-base Transistoren.