Struktur flüssiger Sb-Zn und As-Zn Legierungen

Das Vorhandensein einer chemischen Nahordnung d.h. einzelne Atome sind nicht ganz willkürlich oder statistisch in der Schmelze verteilt, sondern es liegen sog. Cluster oder Assoziate vor, die der Zusammensetzung einer festen Phase entsprechen können, wurde schon in einigen binären Metallschmelzen mit verschiedenen Experimenten nachgewiesen. An unserem Institut wurden besonders thermodynamische Untersuchungsmethoden angewandt: [Messung der Elektromotorischen Kraft (EMK), kalorimetrische Messungen], weiters die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetische Untersuchungen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen einen indirekten Schluß auf das Vorhandensein solcher Cluster zu. Ein besserer Nachweis gelingt durch Neutronenstrahlexperimenten an diesen Metallschmelzen. Am System Sb-Zn haben wir solche Untersuchungen am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble durchgeführt. Wir hatten dort die Möglichkeit an drei Legierungen mit verschiedener Zusammensetzung und bei verschiedenen Temperaturen Messungen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, daß knapp über dem Schmelzpunkt eine "Verbindungstendenz" vorliegt. Bei höheren Temperaturen beginnen die Assoziate zu zerfallen. In System As-Zn sollten diese Effekte noch ausgeprägter sein. Da Arsen sowohl im festen Zustand als auch in der Schmelze eine Koordinationszahl von 3 aufweist, im Gegensatz zu den Metallen mit 8 und 12, könnten durch den Zusatz von Zink noch andere interessante Effekte durch diesen Neutronenstrahlexperimenten gefunden werden. Nach diesen experimentellen Untersuchungen soll in Zusammenarbeit mit der Gruppe um Prof. Hafner an beiden Systemen eine Abinitio Rechnung durchgeführt werden um diese Phänomene auch theoretisch erklären zu können.

Im festen Zustand haben Legierungen eine genau definierte Kristallstruktur d.h. A-Atome sind mit einer genauen Anzahl von B-Atomen umgeben. Diese Strukturen können mit Röntgenstrahlen der so genannten Röntgenstrukturanalyse untersucht werden. Im flüssigen Zustand wird eine vollkommen ungeordnete Struktur angenommen d.h. ein A-Atom kann von mehreren anderen A-Atomen oder nur von B-Atomen oder von A- und B-Atomen umgeben sein. Es herrscht eine vollkommene Unordnung in der Schmelze (engl. Random distribution). Hat eine Legierung von A und B einen genau bestimmten Schmelzpunkt z.B. 500C ist sie unter dem Schmelzpunkt geordnet, sie besitzt eine genaue Kristallstruktur aber schon ein paar Grad über dem Schmelzpunkt liegt eine vollkommen Unordnung der Atome vor. Von Messungen mit verschiedenen Messmethoden ist bekannt, dass bei manchen Legierungen auch eine Ordnung in der Schmelze vorhanden sein kann. Diese Ordnung wird mit der Erhöhung der Temperatur geringer und ist ca. 100C über dem Schmelzpunkt nicht mehr vorhanden. Diese Ordnung ist auf die chemische Nahordnung (engl. Chemical Short Range Order, CSRO) zurückzuführen. Von eigenen Untersuchungen und die einiger anderer Kollegen ist bekannt, dass in den Systemen Sb-Zn und As-Zn bei den Zusammensetzungen Sb3 Zn4 und As3 Zn2 solche Ordnungsphänomene in der Schmelze auftreten. Um vielleicht die Größe dieser Kluster zu bestimmen wurden Streuexperimente mit Neutronenstrahlen am Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgeführt. Da die metallischen Proben undurchsichtig und dicht sind kommen für solche Untersuchungen nur Neutronenstrahlen in Frage. Nach einer Strahlzeit von ca. 8 Stunden konnte ein Spektrum aufgenommen werden. Diese zeigt, dass in beiden Systemen nahe beim Schmelzpunkt eine Wechselwirkung zwischen ungleichen Elementen vorliegt, die mit Erhöhung der Temperatur geringer wird. Die Größe der Kluster konnte jedoch nicht bestimmt werden. Der Nutzen dieser Untersuchungen liegt darin, dass Metallschmelzen besser verstanden werden. Modellrechnungen, auch von uns, zeigen bei Al-Sn-Zn Legierungen (Bleifreie Lote) eine Anreicherung von Sn an der Oberfläche der Schmelze eines Lottropfens. Da diese Tropfen immer kleiner werden, 50 -25 (1 = 10-6 m), nimmt die Oberfläche zum Inneren des Tropfens (eng. bulk) stark zu und spielt bei elektronischem Löten eine immer wichtigere Rolle.