Die eutektische Struktur von Metallen und Keramik entsteht, wenn mehrere feste Phasen aus einer flüssigen Phase erstarren und durch ein selbstorganisierendes Phänomen ein dreidimensionales (3D) Muster bilden. Traditionell wurde angenommen, dass eutektische Strukturen nur durch einen Schmelzerstarrungsprozess erhalten werden könnten.
Forscher der Yokohama National University (YNU) haben ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) entwickelt, das es Vorläufergasen ermöglicht, zu reagieren und Festkörperverbundstoffe mit geordneten Strukturen in einem eutektischen YAG- (Yttrium-Aluminiumoxid-Granat)-Aluminiumoxid-Keramiksystem zu erzeugen.
In ihrer Studie beobachteten sie das Wachstum räumlich geordneter stäbchen- und lamellenförmiger YAG-Kristalle innerhalb einer Aluminiumoxidmatrix auf einem Saphirwafer unter Al-reichen Bedingungen. Umgekehrt beobachteten sie unter Y-reichen Bedingungen das Wachstum geordneter Aluminiumoxidkristalle mit einer YAG-Matrix. Die Wahl des Saphirkeimkristalls und die Zusammensetzung des Vorläufers bestimmten die 3D-Muster. Im Vergleich zum Schmelzerstarrungsprozess erweiterte der CVD-Prozess die Palette der chemischen Zusammensetzungen, die solche Muster erzeugen könnten.
Die chemisch abgeschiedenen YAG-Aluminiumoxid-Eutektika können mit zusätzlichen Seltenerdelementen dotiert werden, die als Lumineszenzzentren dienen. Beispielsweise emittieren Cerionen gelbes Licht, wenn sie mit blauen LEDs bestrahlt werden, und erzeugen so weißes Licht für die Festkörperbeleuchtung. Europiumionen emittieren rotes Licht für die Röntgenradiographie, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden, die ein Halbleiterbauelement durchdringen. „Unsere Experimente zeigen mögliche Anwendungen von YAG-Aluminiumoxid chemisch abgeschiedenen Eutektika als umweltbeständige LED-Beleuchtung und hochauflösende Röntgenbildgebung“, sagt Yuri Mitsuhashi, Hauptautor der Studie, der die Experimente während seines Doktorandenstudiums an der YNU durchführte.
Aluminiumoxid gilt seit langem als robustes feuerfestes Keramikmaterial und wird häufig für strukturelle und optische Komponenten verwendet. Aluminate, darunter Seltenerd-Aluminium-Granate und Perowskite, wurden eingehend als funktionelle Keramikmaterialien wie Laser, Leuchtstoffe und Energiematerialien untersucht.
„Unter den Aluminaten haben Seltenerd-Aluminium-Granate und Perowskite attraktive Eigenschaften und glücklicherweise eutektische Systeme mit Aluminiumoxid“, sagt Shogen Matsumoto, der während seiner Doktorarbeit ein im Labor hergestelltes Röntgenbildgebungssystem baute. an der YNU. Er sagte: „Wir können einen neuartigen Kristall synthetisieren, der die Vorteile von Aluminiumoxid und Aluminat vereint.“
Dieser Befund unterstreicht, dass die Erzeugung von 3D-Mustern in eutektischen Keramikverbundwerkstoffen nicht nur durch den Schmelzerstarrungsprozess, sondern auch durch den Dampfabscheidungsprozess erfolgen kann. „CVD ist bereit, keramische eutektische Verbundwerkstoffe als Funktions- oder Schutzschichten über Substratmaterialien herzustellen“, sagt Akihiko Ito, außerordentlicher Professor an der YNU und Hauptforscher.
„Im Gegensatz dazu ist der Schmelzerstarrungsprozess, bei dem eine Hochtemperaturschmelze von mehr als 2.000 Grad Celsius gegossen werden muss, um keramische Verbundbeschichtungen auf Substraten zu bilden, unpraktisch. Weitere Forschung wird sich auf die Aufklärung des Mechanismus hinter chemisch abgeschiedenen Eutektika konzentrieren“, sagte Ito.
Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Zeitschrift der American Ceramic Society.
Mehr Informationen:
Yuri Mitsuhashi et al., Chemische Gasphasenabscheidung geordneter Strukturen im eutektischen YAG-Aluminiumoxid-System, Zeitschrift der American Ceramic Society (2023). DOI: 10.1111/jace.19176
Zur Verfügung gestellt von der Yokohama National University