Rasterelektronenmikroskopische Oberflächenuntersuchungen

Kommen Materialien und Bauteile mit Plasma in Kontakt, können sich deren Oberflächen verändern. Unter dem Mikroskop werden diese Änderungen – je nach Material und Belastung im Nano- oder Mikrometerbereich – sichtbar.


Die Kenntnis dieser Änderungen ist für die Auswertung vieler Untersuchungen unerlässlich, zum Beispiel für die Ionenstrahlanalyse. Darüber hinaus werden auch Strukturen unterhalb der Oberfläche untersucht, wie Korngröße, Porenbildung, Grenzflächen, Schichtdicken und deren Homogenität. Aktuelle Fragen sind zum Beispiel:

Wie entstehen Blasen in Wolfram?

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Wolframprobe nach Belastung mit einem Wasserstoffplasma. Links: Geneigter Blick auf die Oberfläche; rechts: nach Schneiden mit dem fokussierten Ionenstrahl wird die Querschnittsfläche sichtbar. Der Pfeil gibt die Richtung der plastischen Materialverformung an.

Wirkt ein Wasserstoff-Plasma auf eine Oberfläche ein, wird im Wandmaterial Wasserstoff nahe der Oberfläche implantiert. Ein Teil wandert zur Oberfläche zurück und entweicht ins Plasma, der andere Teil diffundiert in die Tiefe. Trifft der Wasserstoff dabei auf Defektstellen oder Korngrenzen im Kristallgitter, kann er dort haften bleiben. Einzelne Wasserstoffatome, die hier ankommen, verringern die mechanische Stabilität zwischen den Körnern. Mehr Wasserstoff führt zur Molekülbildung – es entsteht Wasserstoffgas. Die winzigen Hohlräume entlang der Korngrenzen werden bis zu sehr hohen Drücken gefüllt. Schließlich geben manche Korngrenzen mechanisch nach: Weiteres Füllen der Hohlräume mit Wasserstoffgas führt dann zu den beobachteten Blasen.

Durch Aufschneiden einzelner Blasen mit einem fokussierten Ionenstrahl konnte gezeigt werden: Die Blasen sitzen teils unter der Implantationstiefe des Wasserstoffs, die typisch bis zu 100 nm beträgt. Der zugehörige Hohlraum verläuft zudem immer entlang der Korngrenzen; das Wasserstoffgas in den Blasen steht unter einem Druck von einigen hundert bar.

Warum bilden sich auf Stahloberflächen nadelartige Strukturen?

Rasterelektronenmikroskopisches Bild einer Stahlprobe: Bei einer Temperatur von 530 °C wurde sie einem Wasserstoffplasma ausgesetzt. Die ursprünglich polierte Oberfläche ist mit einer faserigen bzw. nadeligen Struktur bedeckt. (Bildbreite: 5,12 µm)

Stahl könnte als Wandmaterial künftiger Fusionsanlagen einige Vorteile bieten und tritt deshalb vermehrt in den Blickpunkt der Forschung. Untersucht wird unter anderem die Erosion – der Hauptnachteil von Stahl unter Plasmabelastung. Dabei wurden mannigfaltige Oberflächenmorphologien beobachtet. Bei Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius bilden sie sich dort, wo die Probenoberflächen mit Wasserstoff beaufschlagt werden.


Rasterelektronenmikroskopisches Bild einer Stahlprobe, die bei 670 °C einem Wasserstoffplasma ausgesetzt wurde. Die ursprünglich polierte Oberfläche zeigt eine nadelige Struktur mit einzelnen Partikeln obenauf. (Bildweite: 12,8 µm)

Die beobachteten nadelartigen Strukturen erreichen Höhen, die deutlich über den gemessenen Erosionstiefen liegen. Außerdem sind in ihnen die Legierungselemente des Stahls anders verteilt als im ursprünglichen Material. Erklären lassen sich diese faszinierenden Gebilde mit einer erhöhten Beweglichkeit der Atome.

Weitere Beispiele für elektronenmikroskopische Untersuchungen:

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