Direkte 3D Materialuntersuchungen mit Subnanometerauflösung

Die Transmissionselektronenmikroskopie hat einen enormen Einfluss auf verschiedene wissenschaftliche Disziplinen, einschließlich Biologie und Materialwissenschaften, da sie die detaillierte Untersuchung verschiedenster Materialien ermöglicht. Hierfür durchstrahlen schnelle Elektronen eine dünne Probe um sie mit sehr hoher Auflösung abzubilden. Ein Nachteil besteht darin, dass die so gewonnenen Bilder nur eine Projektion von 3D Objekten darstellen. Um dieses Problem zu umgehen wurde die Tomographie entwickelt. Hier werden viele Bilder aus verschiedenen Richtungen aufwendig gesammelt und mit Algorithmen zu einem 3D Modell zusammengefügt. Diese Methode ist zeitaufwendig und nicht für eine direkte Live-Betrachtung von Materialien geeignet. Ziel dieses Projekts ist es daher den Elektronenstrahl automatisiert und sehr schnell zu verkippen, und die so erhaltenen Bilder direkt in ein Stereobild zu verwandeln. Dieses Bild kann wie in einem 3D Kinofilm mit geeigneten Brillen vom Betrachter direkt wahrgenommen werden. Transmissionselektronenmikroskope verfügen auch über spezialisierte Halter in denen miniaturisierte Proben verformt werden können um direkt die zugrundeliegenden Schädigungsprozesse zu beobachten; zum Beispiel die Bewegung von Versetzungen (einer Form von Fehlstelle) in Metallen. Ziel ist es diese Versuche direkt in 3D durchzuführen. Das würde ermöglichen auch die Verformungseigenschaften komplexerer Materialien zu verstehen. Trotz großer Fortschritte im Bereich der Datenanalyse, interagieren wir mit dem Transmissionselektronenmikroskop noch immer indem Bilder betrachtet wird. 3D-Vision könnte hier nur ein erster Schritt sein. Das Konzept der augmented reality, in der zum Beispiel Datenanalysen direkt live mit dem Bild überlagert werden, würde eine effizientere Untersuchung von komplexen Nanomaterialien ermöglichen und damit die Entdeckung neuere Materialien beschleunigen.

Metalle und Legierungen werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Jahrzehntelange Forschung hat es ermöglicht, Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln. Die Erhöhung der Festigkeit und Zuverlässigkeit von Metallteilen ist für die Verringerung unseres CO2-Fußabdrucks von entscheidender Bedeutung, beispielsweise durch die Entwicklung leichterer Autos, effizienterer Turbinen und langlebigerer Komponenten. Obwohl metallische Werkstoffe aus Atomen bestehen, die in einem regelmäßigen Kristallgitter angeordnet sind, sind es die Fehlstellen in diesem Gitter, die ihre Eigenschaften maßgeblich bestimmen. Die plastische Verformung wird beispielsweise durch winzige linienförmige Defekte gesteuert, die als Versetzungen bezeichnet werden und die sich bei Belastung des Materials bewegen. Um diese Prozesse zu untersuchen, verwenden Forscher Transmissionselektronenmikroskopie, bei der anstelle von Licht Elektronen eingesetzt werden, um eine sehr hohe Auflösung zu erzielen. Mit speziellen Haltern kann ein sehr dünner Metallstreifen direkt im Mikroskop verformt werden, und so die Bewegung einzelner Versetzungen abgebildet werden. Im vorliegenden Projekt verwenden wir Nanodiffraktion (auch 4D-STEM genannt), um tiefere Einblicke in die treibenden Kräfte und die innere Struktur von Versetzungen während der Verformung zu gewinnen. Während traditionelle Mikroskopie nur die Abbildung der sich bewegenden Versetzung ermöglicht, liefert 4D-STEM einen großen Datensatz, der aus Beugungsbildern besteht, die direkt Veränderungen in den Positionen der Atome widerspiegeln. Diese Veränderungen können als Gitterspannung ausgedrückt werden. Traditionell erfordert eine solche Spannungsmessung die Ausrichtung des Materials entlang einer Orientierung die eine klar definierte atomare Anordnung aufweist. Hier haben wir diese Methode jedoch erfolgreich auf Proben mit unterschiedlich ausgerichteten Körnern angewendet und damit ihre Anwendbarkeit erheblich erweitert. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich Versetzungen in drei Dimensionen bewegen, während wir in der Standardmikroskopie nur eine Projektion sehen. Durch Kippen der Probe lässt sich zwar ihre Form in 3D rekonstruieren, dafür muss jedoch das Verformungsexperiment unterbrochen werden. Daher haben wir im vorliegenden Projekt untersucht wie sich das mit einem gekippten Elektronenstrahls umsetzen lässt. Erste Ergebnisse zeigen, dass dies eine praktikable Methode ist, die neue Einblicke auf Versetzungen liefert. Diese methodischen Entwicklungen ermöglichen ein umfassenderes Verständnis der Versetzungsbewegung in komplexen Hochleistungslegierungen. Letztendlich kann damit der Austausch zwischen Experiment, Materialverarbeitung und Simulation beschleunigt werden, was zur schnelleren Entwicklung von Materialien der nächsten Generation beitragen kann.