Diffuse Röntgenstreuung an Legierungen

Röntgenstreuung

Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern. Das ist mehr als das tausendfache eines typischen Atomdurchmessers. Um atomare Strukturen zu betrachten ist sichtbares Licht daher prinzipiell  nicht geeignet. Für diesen Zweck hat sich die Röntgenstreuung bewährt, die wesentlich kurzwelligeres Röntgenlicht verwendet. Dabei wird ein Röntgenstrahl auf die Probe gerichtet und die Interferenz der an den einzelnen Atomen gestreuten Strahlung verrät deren räumliche Anordnung.
Ganz ähnlich wie bei der Beugung von Licht an einem optischen Gitter verursacht die regelmäßige Anordnung von Atomen in einem Kristallgitter scharfe Reflexe unter bestimmten Ein- und Ausfallswinkeln. Das bedeutet, unter ganz bestimmten Winkeln wird ein Röntgenstrahl fast wie von einem Spiegel abgelenkt.

Diffuse Streuung

Transiente Absorption, schematische darstellungAls  Diffuse Streuung bezeichnet man mehr oder weniger alles, was unter anderen Winkeln als diese speziellen Kristallreflexe gestreut wird. Verursacht wird diese Streuung durch nichtperiodische Störungen des Atomgitters, also lokale Verzerrungen, unregelmäßige Anordnung der verschiedenen Atomsorten, Fehlstellen und andere Defekte, sowie thermische Vibration des Gitters.
Hier links sieht man das diffuse Streumuster, das wir bei einer Titan-Vanadium-Legierung beobachtet haben.

Gitterverzerrungen


Cartoon: Gitterverzerrungen durch Defekt-AtomeEin wichtiger Aspekt meiner Arbeit war die Frage, inwieweit die unterschiedlichen Atomgrößen in einer Legierung das Atomgitter verzerren. Das kann ziemlich kompliziert werden, denn die Atome, die durch einen besonders großen "Nachbarn" von ihrem Platz verschoben werden, drücken ihrerseits wieder auf ihre eigenen Nachbarn. Die Verzerrungen eines einzigen Fremdatoms können zehn bis zwanzig Atomplätze weit reichen.
Das Verständnis dieser Mechanismen ist sehr wichtig. Einerseits bestimmen solche Effekte die mechanischen Eigenschaften eines Materials, also z.B. wie hart oder weich, zäh oder brüchig es ist. Auf der anderen Seite stellen diese Verzerrungsfelder aber auch einen Wechselwirkungsmechanismus dar. Das heisst, sie beeinflussen, wie nahe sich zwei "dicke" Atome kommen können. Die banalste Konsequenz kann sein, dass sich einige Metallsorten einfach nicht mischen lassen.

Hochenergie-Röntgenstreuung


Luftbild ESRFDie Experimente für dieses Projekt wurden an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle (ESRF) in Grenoble (Frankreich) durchgeführt. Dabei handelt es sich um einen Speicherring, in dem Elektronen sehr nah an die Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Während sie von starken Magneten auf einer Kreisbahn gehalten werden, stoßen sie bei jeder dieser Richtungsänderungen einen Röntgenblitz aus. Dieses sehr intensive Röntgenlicht wird dann für Experimente genutzt.



Literatur

H. Reichert, V. Bugaev, O. Shchyglo, A. Schöps, I. Ramsteiner, Y. Sikula, H. Dosch, V. Honkimäki:
Strain-induced nonanalytic short-range order in the spin glass Cu83Mn17 – Reply,
Phys.Rev.Lett. 88 (20) 209604 (2002)

Ingo Ramsteiner
High-Energy X-Ray Study of Short Range Order and Phase Transformations in Titanium-Vanadium

Dissertation, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Universität Stuttgart (2005)

H. Reichert, A. Schöps, I.B. Ramsteiner, V.N. Bugaev, O.Shchyglo, A. Udyansky, H. Dosch, M. Asta, R. Drautz, V. Honkimäki:
Competition between order and phase separation in Au-Ni,
Phys.Rev.Lett. 95 (23) 235703 (2005)

weitere Publikationen in Vorbereitung

Diese Arbeiten wurden am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart in der Gruppe von Prof. Helmut Dosch durchgeführt. Die Experimente fanden an Beamline ID15 der ESRF in Grenoble statt.