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Diamantdefekte bestätigen 80 Jahre alte Elastizitätstheorie
Seit mehr als 80 Jahren beschreibt die Elastizitätstheorie, wie sich mechanische Spannungen um Fehler im Kristallgitter verteilen. Jetzt haben Forscher mehrere Anteile dieses Spannungsfelds in Diamant direkt kartiert und eine enge Übereinstimmung mit den Vorhersagen gefunden. Die neue Messmethode könnte helfen, die Qualität von Kristallen für Quanten- und Leistungselektronik besser zu kontrollieren.
Tsukuba (Japan). Auch Diamanten enthalten Fehler in ihrem regelmäßigen Kristallgitter. Eine wichtige Form sind Versetzungen, bei denen die Atomlagen entlang einer Linie gegeneinander verschoben sind. Solche Gitterfehler erzeugen mechanische Spannungen in ihrer Umgebung und können die Eigenschaften von Materialien und elektronischen Bauteilen beeinflussen.
Wie sich diese Belastungen in den verschiedenen Raumrichtungen verteilen, ließ sich bislang nur eingeschränkt prüfen. Methoden wie die Raman-Spektroskopie oder die Röntgentopografie machen zwar Gitterfehler und bestimmte Spannungen sichtbar. Sie erfassen aber nicht gleichzeitig mehrere getrennte Größen des sogenannten Spannungstensors, der den mechanischen Spannungszustand eines Kristalls beschreibt.
Forscher des National Institute for Materials Science (NIMS) um Prof. Tokuyuki Teraji haben nun einen solchen Spannungstensor im Umfeld einer einzelnen Diamantversetzung experimentell untersucht. Dazu kombinierten sie die Herstellung einer speziell präparierten Diamantschicht mit einer besonders präzisen Form der Quantenmessung.
Das Team züchtete auf einem Diamantsubstrat eine rund 20 Mikrometer dicke Schicht, die mit dem Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-12 angereichert war. Darin erzeugten die Wissenschaftler sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, kurz NV-Zentren. Bei diesen Defekten ersetzt ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom im Kristallgitter, während ein benachbarter Gitterplatz unbesetzt bleibt.
Die Elektronen dieser Zentren besitzen einen quantenmechanischen Spin, der auf die örtliche mechanische Belastung reagiert. Durch Laserlicht und Mikrowellen lässt sich dieser Zustand anhand der Fluoreszenz auslesen. NV-Zentren dienen auch als Quantensensoren für Magnetfelder. Für die neue Messung nutzten die Forscher hingegen die Verschiebung bestimmter Resonanzfrequenzen durch die Kristallspannung.
Entscheidend ist, dass die NV-Zentren im Diamanten vier unterschiedliche räumliche Ausrichtungen einnehmen können. Deshalb verändert dasselbe Spannungsfeld ihre Resonanzen auf verschiedene Weise. Aus den Messsignalen lassen sich so mehrere Spannungsgrößen getrennt bestimmen, statt nur eine gesamte Belastung abzuschätzen.
Zunächst bestimmte das Team mit Röntgentopografie die Orientierung einer einzelnen Versetzung, bei der die charakteristische Verschiebungsrichtung einen Winkel von 45 Grad zur Defektlinie bildet. Anschließend erfassten die Forscher auf einer Fläche von acht mal acht Mikrometern die Messsignale von 100 Rasterfeldern um den Gitterfehler.
Auf diese Weise rekonstruierten sie drei Scherspannungen, die auf gegeneinander verschobene Materialebenen wirken, sowie die Summe der drei Normalspannungen. Damit wurden vier Spannungsgrößen erfasst. Der vollständige symmetrische Spannungstensor besitzt dagegen sechs unabhängige Komponenten.
Die drei Scheranteile änderten sich im untersuchten Bereich jeweils um ungefähr zehn Megapascal nach oben und unten. Bei der Summe der Normalspannungen waren es rund 30 Megapascal. Die Messfehler lagen bei etwa einem Megapascal, deutlich unter den beobachteten Spannungsunterschieden.