Vom abgeschirmten CuCl Nanokristall zu kollektiven Verrückungen im NaCl Einkristall
Final Report Abstract
Es sind nun 52 Jahre her, dass J.D.Eshelby [Proc. Roy. Soc. A241 (1957)376] eine viel beachtete Arbeit über die Wirkung eines kugelförmigen Hohlraumes in einem elastischen Kontinuum geschrieben hat. Etwa zur gleichen Zeit hat Landau dieses Problem mit einem alternativen Denkansatz bearbeitet [L.D.Landau, E.M.Lifschitz, Band VII, Elastizitätstheorie]. Mit zunehmender Bedeutung von Materialien, die auf der Nanometerskala heterogen sind, wie zum Beispiel Quantenpunkte in niederdimensionalen Halbleiterstrukturen, wurde die Problematik wieder aktuell. Die Unterschiedlichkeit der beiden Modelle wirkt auch heute noch in weiterentwickelten Theorien nach, wobei der Hohlraum mit einem Nanokristall oder auch einem Ion gefüllt sein kann. In unseren experimentellen Arbeiten sind es CuCl Nanokristalle und Cu+-Ionen in einem Einkristall aus NaCl. Unsere ersten systematischen Untersuchungen zeigten, dass optische Doppelbrechung in dünnen Platten von CuCLNaCl nicht unbedingt eine Konsequenz eingelagerter Nanokristalle sein muss. Sie kann auch durch Politurvorgänge erzeugt werden. Aus dieser Beobachtung erwuchs nicht nur eine präparative, sondern auch eine grundsätzliche Problematik. Als Ursache dieser und einiger anderer Effekte wurde nämlich die Plastizität von NaCl erkannt und dieses Phänomen könnte in Malerialien mit eingebetteten Nanokristallen zu einem effektiven Abbau innerer Spannungen führen indem sich Versetzungen zwischen zwei inneren Grenzflächen ausbreiten. Das Problem wurde von uns mit dem Ergebnis studiert, dass innere Plastizität, wenn vorhanden, die inneren Kraftfelder nicht entscheidend schwächt. Zu diesem Zeitpunkt war noch keine experimenteUe Methode gefunden, welche die Abschirmung der durch Einlagerungen erzeugten Spannungen wirkungsvoll bricht. Den besten Beweis für die Existenz der inneren Kraftfelder hatten wir bis dahin aus der Analyse von Braggreflexen erhalten. Nachdem wir allerdings gelernt und verstanden hatten, welche Information aus der Profilanalyse von Röntgenreflexen zu gewirmen sind wussten wir, dass diese Methode uns nicht weiter helfen kann. Erneute Anstrengungen, aus der Exzitonspekroskopie an CuCl Nanokristallen Information über deren Deformationszustand zu bekommen, kollidierte mit den Einflüssen des Confinementeffektes und mussten daher ebenfalls eingestellt werden. Der eigentliche experimentelle Durchbruch gelang erst vor anderthalb Jahren. Es wurde eine polarisationsoptische Rastermethode entwickelt, welche mit hoher Empfindlichkeit die selbstinduzierte elastische Anisotropie in heterogenen kubischen Kristallen detektiert. Die grundlegende Idee geht von statistisch verteilten inneren Kraftquellen aus, die in quaderförmigen Präparaten elastische Spannungen in Richtung der Oberflächermormalen erzeugen. Da diese bei fehlenden äußeren Kräften an den Oberflächen verschwinden müssen, sollte wegen unterschiedlichen Kantenlängen eine zusammenhängende Doppelbrechungsspur zwischen zwei parallelen Flächen entstehen. Nachdem die Erzeugung dieses Phänomens durch Nanokristalle untersucht war, widersprach die Messung an einem schwach dotierten Kristall ohne Nanokristalle den bisherigen Kenntnissen über die Eigenschaften von Cu+ in NaCl. Dieses verlangte eine umfangreiche Fortsetzung der Messungen, unter anderem auch unter Einsatz der nichtlinearen Laserspektroskopie. Vor einem Monat konvergierten dann alle erarbeiteten Ergebnisse zu dem erstaunlichen Ergebnis, dass sowohl dem theoretischen Ansatz nach Eshelby als auch dem nach Landau physikalische Realität zugesprochen werden muss.
