Bottom-up-Design von MAX-phasen Boriden

Die Entdeckung neuer Werkstoffe und die Verbesserung der Leistung, Biokompatibilität und Nachhaltigkeit der verwendeten Materialien sind eine große Herausforderung für moderne Technologien. Die chemische Zusammensetzung, die Kristallstruktur und die Eigenschaften verleihen den Werkstoffen ihren spezifischen "Charakter", der wiederum ihre Anwendbarkeit bestimmt. In der Regel gehören technische Werkstoffe zur Klasse der Metalle, Polymere, Elas- tomere, Keramiken oder Gläser. Mein Projekt zielt darauf ab, neuartige Materialien zu en- twickeln, die die wünschenswerten Eigenschaften von Metallen und Keramiken kombinieren. Metalle weisen eine ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit auf, widerstehen effektiv der Rissausbreitung und sind im Allgemeinen sehr schadenstolerant, leider aber nicht besonders temperaturbeständig und mit einer relativ hohen gravimetrischen Dichte ausges- tattet. Keramiken hingegen zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Hochtemperaturfes- tigkeit, einen extrem hohen Schmelzpunkt und einer geringen Dichte aus, sind aber spröde und empfindlich gegen Beschädigungen. Die als MAX-Phasen-Boride bezeichneten nano-lagigen Materialien vereinen die wünschenswerten Eigenschaften beider Welten (metallisch und kera - misch) und eröffnen damit neue Anwendungsmöglichkeiten. Ihre unübertroffene Vielfalt in der Kristallstruktur und bei den chemischen Bindungsverhältnissen bietet eine hervorragende Grundlage für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit. Erst in den letzten Jahren wurde mit der rechnerischen und experimentellen Erforschung derar- tiger MAX-Phasen-Boride begonnen, und diese jüngsten Untersuchungen verdeutlichen deren großes Potenzial. Da dieses Forschungsfeld noch sehr jung ist, sind noch viele grundlegende Fragen unbeantwortet, und viele nano-lagigen Materialien mit herausragenden Eigenschaften gilt es noch zu entdecken. Das weite und vielerorts unbekannte Terrain der MAX-Phasen- Boride soll in meinem Projekt mit nicht-empirisch sowie datengetriebenen Methoden basierend auf quantenmechanischen Berechnungen in Kombination mit gezielten Experimenten erkun- det und erschlossen werden. 2

Mein Projekt konzentrierte sich auf den Entwurf und das Verständnis von Bor-Nanolagen, die in den Bereichen Schutz- und Verschleißbeschichtungen, magnetische Kühlung, Elektrokatalyse, elektrochemische Sensorik oder Strahlungsabschirmung eingesetzt werden können, auf atomarer Ebene. Besonderes Augenmerk wurde auf ein systematisches und effizientes Screening der Phasenstabilitätstrends gelegt, gefolgt von eingehenden Fallstudien der Elastizitäts-, Verformungs- und Brucheigenschaften für die vielversprechendsten Materialsysteme. Als Computer-Materialwissenschaftler beschloss ich, dieses Thema durch die Kombination von quantenmechanischen Ab-Initio-Berechnungen, Finite-Temperatur-Molekulardynamik und maschinellem Lernen anzugehen, wobei ich bei den beiden letztgenannten Methoden von der Zusammenarbeit mit Kollegen der Gruppe für Theoretische Physik an der Universität Linköping, Schweden, profitierte. Experimentelle Unterstützung erhielt ich von Kollegen aus der dünnschichtgruppe von Prof. P. H. Mayrhofer an der TU Wien sowie von Mitarbeitern in Leoben und Aachen. Zu den Hauptergebnissen des Projekts gehört ein rechnergestütztes Hochdurchsatz-Screening von atomar laminierten Boriden, den so genannten MAB-Phasen, wobei der gesuchte chemische und Phasenraum alle Kombinationen der Übergangsmetalle der Gruppe 4-7 (M), Al, Si, Ga, Ge oder In (A) und Bor (B) umfasste, mit 10 Phasenprototypen für jede Elementkombination. Zu den vorgeschlagenen Kandidaten für vielversprechende MABs (unter Berücksichtigung von Stabilität und mechanischer Leistung) gehörten Ta-Al-B, W-Al-B, Cr-Si-B oder Mn-Si-B. Darüber hinaus konzentrierte sich das Projekt auf die Entwicklung von Methoden und Arbeitsabläufen zur Untersuchung dieser Materialien und von Keramiken im Allgemeinen bei endlichen Temperaturen, von der Atom- bis zur Nanoskala und unter Einbeziehung sowohl der thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen als auch der Bedingungen fernab des Gleichgewichts, die für viele Anwendungen relevant sind. Insbesondere wurden (quantenmechanische) ab initio Molekulardynamiksimulationen verschiedener mechanischer Tests bei Raum- und anderen Temperaturen durchgeführt und die zugrunde liegenden Daten zum Trainieren und Validieren von interatomaren Potenzialen für die klassische Molekulardynamik verwendet. Diese Molekulardynamiksimulationen ermöglichten die Vorhersage der mechanischen Reaktion und der Rissbeständigkeit von MAB-Phasen (und anderen Referenzmaterialsystemen) auf Längenskalen, die für die hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie zugänglich sind, sowie das Verständnis des durch Dehnung aktivierten Wachstums kristallographischer Defekte und ihrer (positiven oder negativen) Auswirkungen auf die Leistung des betreffenden Materials. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse des Projekts die rationelle Entwicklung von laminierten Boriden mit optimierten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beschleunigen dürften. Darüber hinaus wurden große Mengen präziser quantenmechanischer Daten erzeugt, die zum Training von maschinellen Lernmodellen usw. dienen können - und teilweise bereits gedient haben.