Polykristalline Werkstoffe Zufällige Orientierung der Kristallite (typisch für „isotrope“ Pulver) Vorzugsorientierung der Kristallite (typisch für plättchenförmige Teilchen) Vorzugsorientierung der Kristallite (typisch für Nadeln) 1 Vorzugsorientierung der Kristallite Textur (a) (b) a) Fasertextur (Zugversuche) b) Walztextur (c) c) Geneigte Fasertextur (PVD dünne Schichten) 2 Einkristalle und Polykristalle (Fast) keine Korngrenzen Wenige Defekte (Strukturfehler) Das reziproke Gitter besteht aus diskreten Punkten Viele Korngrenzen (Fast) alle Orientierungen der einzelnen Teilchen – Kristallite (Pulver) Das reziproke Gitter besteht aus konzentrischen Sphären s/l s/l 2q s0/l 2q s0/l 3 Die Debye Methode s/l 2q Probe tan 2q r L s0/l 2q arctan r L 2d sin q l d 1 d2 h2 k 2 2 a2 l 2 sin q a d h2 k 2 2 2q … Beugungswinkel r … Radius des Debye Kreises L … Abstand Probe – Film d … Netzebenenabstand l … Wellenlänge der Strahlung h, k, l … Miller Indexen a … Gitterparameter (kubisch) 4 Fasertextur 5 Fasertextur im Aluminium (kfz) (111) Winkel zwischen (111) und 111: 0°, 70.53° 200: 54.74° 220: 35.26°, 90° 311: 29.50°, 58.52°, 79.98° 222: 0°, 70.53° cos h1h2 k1k2 1 2 h12 k12 12 h22 k22 22 6 7 Harris Texturindex Charakterisierung des Grades der Vorzugsorientierung, besonders bei der Fasertextur Ti hkl hkl I meas i I calc i 1 N N hkl i hkl i I meas I calc i 1 hkl hkl i I meas i I random 1 N N hkl i hkl i I meas I random i 1 Zufällige Orientierung der Kristallite T=1 8 Winkel zwischen den Netzebenen (hkl)2 In kubischen Systemen u v u v cos (hkl)1 cos h1h2 k1k 2 1 2 h12 k12 12 h22 k 22 22 In orthogonalen Systemen cos h1h2 k1k 2 1 2 2 2 2 a b c h12 k12 12 h22 k 22 22 2 2 2 2 2 2 a b c a b c In hexagonalen Systemen cos h1h2 k1k2 12 h1k2 k1h2 12 122 h12 k12 1 12 h1k1 2 2 a c h22 a k 22 c 1 22 h2 k 2 2 2 a c 9 Winkel zwischen Netzebenen im kubischen Kristallsystem cos h1h2 k1k2 1 2 h12 k12 12 h22 k22 22 10 Winkel zwischen Netzebenen im kubischen Kristallsystem cos h1h2 k1k2 1 2 h12 k12 12 h22 k22 22 h1k11 = 110 h2k22 = 110 12 Kombinationen h2k22 = 110 101 011 0° 60° 60° h2k22 = -110 -101 0-11 Winkel = Winkel = 90° 60° 60° h2k22 = 1-10 10-1 01-1 Winkel = 60° 60° 90° h2k22 = -1-10 -10-1 0-1-1 Winkel = 0° 60° 60° 11 Allgemeine Multiplikationsfaktoren Pk G2 1 G2 m j exp G1 k2, j j h1k11 = 110 h2k22 = 110 12 Kombinationen h2k22 = 110 101 011 0° 60° 60° h2k22 = -110 -101 0-11 Winkel = Winkel = 90° 60° 60° h2k22 = 1-10 10-1 01-1 Winkel = 60° 60° 90° h2k22 = -1-10 -10-1 0-1-1 Winkel = 0° 60° 60° h1k11 = 110 h2k22 = 110 12 Kombinationen Winkel = 0° 60° 2 8 90° Zähligkeit (Multiplizität) = 2 mult = 12 = Anzahl der Kombinationen 12 Geneigte Textur Tritt oft in dünnen Schichten auf Herstellungsprozess Mathematische Beschreibung: 1. HKL H1K1L1 Oberflächennormale m j exp G1 k , j 0 2 2. P G 1 G k 2 2 j 13 Walztextur Normalrichtung (hkl) Walzrichtung [uvw] 14 15 Darstellung der Walztextur in der Stereographischen Projektion 16 Walztextur (110)/[112] im Kupfer 17 Polfigur Graphische Darstellung der Vorzugsorientierung (Textur) (HKL) 111 (hkl) 001 h, k , d hk 2q hk 2 arcsin l 2 d d hk a 18 h2 k 2 2 Untersuchung der Vorzugsorientierung Die Eulerwinkel: w … Abstand von der symmetrischen Position … Kippen der Probe … Rotation der Probe (um die Oberflächennormale) 2Q … Beugungswinkel 19 Die Eulerwiege 20 Untersuchung der Vorzugsorientierung Ausmessen der Polfiguren Der Beugungswinkel (2q) ist konstant Problem: Eigenspannung der 1. Art (Verschiebung der Linien in 2q) oder w Nichtsymmetrische Verteilung der Kristallite um die Normalrichtung 21 Die Polfigur (korrigiert) 22 Die invertierte Polfigur 23 Untersuchung der Vorzugsorientierung 2D-Detektoren Film, Imaging plate, CCD 24 Polfigur: SrTiO3/Al2O3 6000 3 4000 2 900 850 800 750 q(y) (1/Å) q(y) (a.u.) 700 1 2000 0 650 600 550 500 0 450 400 350 300 -1 -2000 250 200 150 -2 100 -4000 50 -3 -3 -6000 -2 -1 0 1 3 2 q(x) (1/Å) -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 q(x) (a.u.) Figure 4 25 Epitaktisches Wachstum SrTiO3 auf Al2O3 Sr Ti O in Al2O3 b O in SrTiO3 Al P o wd erC el l 1 .0 c a c b P o wd erC el l 1 .0 a SrTiO3: Fm3m 111 axis -3 001 Al2O3: R-3c 26 SrTiO3 auf Al2O3 Atomic Force Microscopy Pyramidal crystallites with two different in-plane orientations 111 _ 110 111 _ 110 AFM micrograph courtesy of Dr. J. Lindner, Aixtron AG, Aachen. 27 Untersuchung der Vorzugsorientierung w = 0, 2Q-scan (symmetrische Beugungsgeometrie) … Vorzugsorientierung senkrecht zur Probenoberfläche, Fasertextur. 2Q konst., w-scan (Messung an einer Beugungslinie) … Grad der Vorzugsorientierung (aus der Breite der Gaußschen Verteilung), Neigung der Textur … Der Winkelbereich ist beschränkt, für kleine Beugungswinkel nicht geeignet. 2Q-scans bei verschiedenen Winkeln (Messung an einer Beugungslinie) … Grad der Vorzugsorientierung (aus der Breite der Gaußschen Verteilung), Neigung der Textur … Der Winkelbereich ist durch die maximale Kippung der Probe definiert. 2Q-scan, w-scan (q-scan, reciprocal space mapping) … Untersuchung der Textur und der Eigenspannung erster Art. 28 Untersuchung der Vorzugsorientierung „W-scanning” Integral intensity (a.u.) 50 Mathematische Beschreibung der Textur Pk G2 30 20 10 -30 1 G exp G sin 1 G exp G sin 2 2 40 0 Pk G2 1 G2 exp G1 k2 Pk G2 (220) (311) 1 -20 -10 0 10 20 30 Sample inclination (deg) Preferred orientation {110} k 3 2 1 k 29 Untersuchung der Vorzugsorientierung „reciprocal space mapping” 400 q z (1/Å) 5 222 311 4 222 311 220 220 3 200 qx 2 l cos q o cos qi qy 0 qz 2 l sin q o sin qi 111 2 200 -3 Umrechnung in die q-Einheiten -2 111 -1 0 1 q x (1/Å) 30 Darstellung der Vorzugsorientierung „reciprocal space mapping” A highly textured gold layer 9 3 3 3 8 8 422 4 2 2 7 7 5 1 1 331 3 3 1 qz [1/A] 4 2 0 2 2 2 420 5 4 6 222 6 5 -1 1 3 3 -1 3 1 1 4 -2 2 4 0 0 2 2 0 311 5 4 33-1 111 220 3 5 -1 -1 3 -1 1 1 1 1 2 4 -2 0 -2 2 2 2 0 0 1 -3 3 1 3 -1 -1 -1 1 1 0 -8 4 -2 -2 -7 -7 -5 -4 -3 qx [1/A] -2 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 q(x), 1/A -2 2 0 -6 3 4-22 -1 0 1 Measured using CuK radiation 31 2 q(z), 1/A {111} EBSD-Untersuchung an rekristallisiertem Messing Orientierungsverteilung der Kristallite Inverse Polfigur EBSD – Electron broad scatter diffraction 32