Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2684
Main Title: Grain Boundary Structure and Element Transport Processes Studied at the nm-Scale Using Transmission Electron Microscopy (TEM)
Translated Title: Korngrenzstruktur und Elementtransportprozesse auf der nm-Skala untersucht mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
Author(s): Marquardt, Katharina
Advisor(s): Heinrich, Wilhelm
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von polykristallinen Materialien unterscheiden sich deutlich von den Eigenschaften ihrer einkristallinen Äquivalente – dies kann im Wesent-lichen auf Korngrenzen zurückgeführt werden. Die Beeinflussung von Prozessen durch die Anwesenheit von Korngrenzen ist abhängig von den strukturellen Eigenschaften der beteilig-ten Korngrenzen und wird in verschiedenen Wissenschaften, darunter Geologie, Materialwis-senschaften und Chemie erforscht. Von besonderem Interesse ist die Quantifizierung von Elementdiffusionsraten entlang von Korngrenzen, da sie unter vielen Bedingungen um Grö-ßenordnungen schneller als Volumendiffusionsraten ist; somit hat Korngrenzdiffusion oft einen bedeutenden Einfluss auf die chemisch-physikalischen Prozesse. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel einen konsistenten Ansatz zur Untersuchung des Einflus-ses lokaler Defektstrukturen auf die Elementdiffusion, sowohl im Kristallvolumen als auch entlang von Korngrenzen, die ausführlich auf der nm-Skala charakterisiert wurden, zu unter-suchen. Nach einer allgemeinen Diskussion über Struktur und Eigenschaften von Korngrenzen wird eine Einführung in die Korngrenzsynthese gegeben. Es folgt eine kurze Abhandlung über einige generelle Aspekte der Diffusion, inklusive der gebräuchlichsten analytischen Lösungen des Diffusionsproblems die zur Extraktion von Diffusionskoeffizienten benötigt werden. Die Diskussion der Ergebnisse zeigt, dass die “wafer direct bonding” Methode ideal zur Synthese genau definierter Bikristalle aus Yttrium Aluminium Granat (YAG) geeignet ist. Um die maxi-male Stabilität der Korngrenze zu erreichen, sollte die thermische Behandlung bei 60% der Schmelztemperatur des Materials durchgeführt werden. Es wurde eine Σ5 (210)/[100] Korn-grenze mit einer zusätzlichen Missorientierung von 6.5° synthetisiert; der Einfluss dieser zu-sätzlichen Missorientierung wurde erkundet. Ich zeige, dass Yb-Diffusionsraten in YAG mit Dünnschichtdiffusionsexperimenten und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert und quantifiziert werden können. Die Dünnschicht kristallisiert während des Temperns; der Einfluss der dadurch resultierenden transienten Transporteigenschaften der Dünnschicht auf die Verwendbarkeit gewöhnlicher analytischer Volumen-diffusionsproblemlösungen wird untersucht. Ein numerisches Modelle wurde entwickelt, welches die Diffusion beschreibt und die beobachteten zeitabhhängigen strukturellen Eigen-schaften der Dünnschicht berücksichtigt. Zusätzlich wurde Korngrenzdiffusion in der synthetischen nahe Σ5 Korngrenze in Dünnschichtgeometrie untersucht; die Dünnschicht wurde senkrecht zur Korngrenze aufgebracht. Diese miniaturisierten Experimente kombiniert mit analytischen TEM Methoden im Nanometermaßstab lassen es zu Volumen und Korngrenzdiffusion an einer Probe zu untersuchen. Wertvolle Informationen über die lokale Defektstruktur der Diffusionsquelle, sowie der Korngrenze konnten mit TEM gewonnen werden; diese wur-den wiederum für die numerische Modellierung der Korngrenzdiffusion genutzt. Am Ende der Arbeit wurde die Korngrenze auf atomarer Ebene charakterisiert, um Informationen über die effektive Korngrenzweite für Diffusion zu erlangen, welche ein wichtiger Parameter in verschiedenen Gleichungen zur Beschreibung von rheologischen und diffusionsgesteuerten Prozessen ist. Austrittswellenrekonstruktion aus hochauflösenden aberrationskorrigierten TEM Fokusserien wurde kombiniert mit chemisch-sensitiver STEM Z-Kontrast-Abbildung. So konnte eine schmale Zone der beschleunigten Yb Diffusion entlang der Korngrenze erfasst werden. Aus den Messungen lässt sich schließen, dass die effektive Korngrenzweite etwa 40-mal breiter ist als die allgemein angenommenen 0.5nm. Durch diese Arbeit wird das Ziel Dif-fusionsprozesse auf der nm-Skala quantitativ zu verstehen etwas weniger utopisch. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination aus Bikristallsynthese mittels „direct wafer bonding“, “pulsed laser deposition” zur Dünnschichtherstellung und die Untersu-chungen mit verschiedenen TEM Methoden hervorragend geeignet ist um Volumen und Korngrenzdiffusion auf atomarer Ebene zu untersuchen und in Zusammenhang zu den strukturellen Eigenschaften des Materials zu stellen. Die Kombination der Techniken erscheint viel versprechend um weitere Materialien zu untersuchen, sowohl in den Geo- als auch den Mate-rialwissenschaften.
Polycrystalline materials display markedly different physical and chemical properties com-pared to their single crystal counterparts – this is mainly due to grain boundaries. The under-standing of grain boundary related processes and their relation to the grain boundaries' struc-tural properties is a key challenge in various scientific disciplines, including geosciences, ma-terials science, and chemistry. The quantification of element diffusion rates along grain boundaries is of particular interest, because it is often several orders of magnitude faster than volume diffusion and thus governs a number of physico-chemical processes. The presented work aims at providing a feasible and consistent approach to study the relation between struc-ture and element diffusion in both the grain's volume and along well characterised single grain boundaries on the nm-scale. After a general discussion about structures and properties of grain boundaries, a brief introduction on the synthesis of grain boundaries is given. This is followed by the treatment of some general aspects of element diffusion and the introduction of the most common analytical solutions to the diffusion equation, which are required to derive diffusion coefficients from laboratory experiments. In the discussion of the results, I show that the wafer direct bonding method is ideally suited to synthesize well defined synthetic grain boundaries in yttrium aluminium garnet, but anneal-ing temperatures should be higher than 60% of the melting temperature in order to obtain a grain boundary with maximum stability. The synthesized grain boundary is a near Σ5 (210)/[100] grain boundary; the influence of the observed misorientation of 6.5° with regard to a perfect Σ5 grain boundary on the grain boundary structure is discussed. Furthermore, I show that thin-film diffusion experiments can be analysed with transmission electron microscopy (TEM) to quantify diffusion rates in yttrium aluminium garnet and to characterize the diffusant source. The influence of crystallisation of the initially amorphous thin-film, the diffusant source, on the applicability of a commonly used analytical solution to the diffusion equation is investigated. A numerical model is developed to describe diffusion and account for the observed time-dependent structural properties of the thin-film. In addition, grain boundary diffusion experiments on the synthetic near Σ5 grain boundary are performed in thin-film geometry where the thin-film is perpendicular to the grain boundary. These miniaturized experiments combined with small-scale analysis are well suited to study both volume and grain boundary diffusion on the same sample. TEM provides valuable in-formation on the local defect structure of the diffusant source and the grain boundary. Again, the additional information are implemented in a numerical model that describes the experi-mental setting. Finally, the grain boundary is studied at atomic resolution to characterize the effective width for diffusion, which is a key parameter in several equations describing diffusional or rheolog-ical processes. High resolution aberration corrected TEM was used for exit wave reconstruc-tion through focus series. This was combined with chemically-sensitive STEM Z-imaging to image the narrow zone of enhanced Yb diffusion along the grain boundary. It is concluded that the effective grain boundary width is about 40 times larger than the commonly assumed 0.5nm. This contribution may help to quantitatively understand diffusion processes on the nanometre scale. In summary, the combination of bicrystal synthesis by direct wafer bonding, thin-film produc-tion by pulsed laser deposition, and analysis with different TEM modes is well suited to in-vestigate both volume and grain boundary diffusion on the atomic scale and to gain infor-mation about their relation to the material's structure. This promising combination of tech-niques can be applied to other materials, both in Earth sciences and materials' research.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28835
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2981
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2684
Exam Date: 19-Jul-2010
Issue Date: 11-Jan-2011
Date Available: 11-Jan-2011
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Bikristall
Diffusion
Korngrenze
TEM
Transmissionselektronenmikroskopie
Bicrystal
Diffusion
Grain boundary
TEM
Transmission electron microscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 6 Planen Bauen Umwelt » Institut für Angewandte Geowissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_49.pdf65,03 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.