Defect design of ceramics via stacking-fault-type interfaces

Der britische Physiker Sir Frederick Charles Frankder für seine Arbeiten zu Kristallwachstum und Versetzungen (spezielle Kristalldefekte) bekannt ist und mit Thornton Read das Konzept der FrankRead Quelle von Versetzungen einführtemeinte Crystals are like people: growth and defects are what make them interesting. In der Tat ist die Entwicklung von Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften oft davon abhängig, wie maßgeschneiderte Defekte gezielt in deren Strukturen eingebracht werden können. Solche Defekte spielen eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Prozessen wie Verformung und Phasenübergängen und beeinflussen wichtige Materialeigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Härte und Zähigkeit. Besonders interessant sind dabei StapelfehlerStörungen in der geordneten Schichtung von Atomlageninsbesondere in Keramiken mit unterschiedlichen atomaren Ebenen. Allerdings sind die zugrunde liegenden atomaren Prozesse noch nicht vollständig verstanden, was Herausforderungen für Anwendungen wie Schutzschichten, Strukturkomponenten in Hochtemperaturumgebungen und Energiespeichersystemen darstellt. Unser Ziel ist es, ein detailliertes Verständnis dafür zu entwickeln, wie verschiedene Arten von Defekten, wie Punkt- und Planardefekte, in Hochtemperaturkeramiken miteinander interagieren. Wir konzentrieren uns auf Materialien wie Übergangsmetallnitride und Diboride, die für ihre Festigkeit und Stabilität unter extremen Bedingungen bekannt sind. Indem wir erforschen, wie diese Defekte die Kristallstruktur und die Reaktion der Materialien auf Spannungen beeinflussen, hoffen wir, neue Methoden zur Verbesserung der thermischen Stabilität, Festigkeit und Zähigkeit zu entwickeln. Dieses Wissen wird uns letztendlich helfen, Leitlinien für die Gestaltung keramischer Materialien mit herausragenden Eigenschaften zu erstellen. Wir werden Materialien mithilfe einer Technik namens physikalische Gasphasenabscheidung herstellen, die es uns ermöglicht, gezielt Defekte in den Materialien einzuführen und zu kontrollieren. Diese Materialien werden dann mit fortschrittlichen Analysetools untersucht, um ihr Verhalten unter verschiedenen Bedingungen zu erforschen. Darüber hinaus werden wir detaillierte Computersimulationen einsetzen, um diese Prozesse auf atomarer Ebene zu modellieren und Einblicke zu gewinnen, wie atomare Grenzflächen die Antwort der Materialien auf Temperaturänderungen und Spannungen beeinflussen. Während Defekte oft als Nachteil betrachtet werden, zielt unsere Forschung darauf ab, sie gezielt so zu gestalten, dass sie die Materialleistung verbessern. Unser Projekt kombiniert modernste experimentelle Techniken mit fortschrittlichen Simulationen, einschließlich innovativer Methoden wie molekulare Dynamik mit maschinellem Lernen. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, neue Methoden zur Entwicklung besserer (keramischer) Materialien zu erarbeiten.