Was passiert im Inneren eines Smartphones, wenn es aus der Hand rutscht und auf den Boden fällt? Meistens überlebt der Bildschirm, doch im Inneren müssen winzige Metallbauteile, kleiner als ein Staubkorn, den Aufprall abfedern. Diese mikroskopischen Bauteile sitzen in Beschichtungen, elektrischen Kontakten oder flexiblen Sensoren und müssen weiterhin funktionieren, selbst wenn das Gerät fällt, verbogen wird oder starken Temperaturwechseln ausgesetzt ist. Gleichzeitig wird Elektronik immer kleiner, wodurch immer größere Belastungen auf die Bauteile wirken. Wie sich die ständige Verkleinerung unter diesen Bedingungen auf die elektronischen Bauteile auswirkt, ist bislang nur teilweise verstanden.

Nickel als Modellmaterial für Verformungsexperimente

Unsere zentrale Frage ist also: Wie verformen sich winzige Nickelpartikel – typische Bestandteile elektronischer Bauteile –, wenn man sie langsam oder extrem schnell zusammendrückt, und welche Rolle spielt die Temperatur? Und wie können wir Hightech-Bauteile zuverlässiger und langlebiger machen?

Nickel wird in vielen technischen Anwendungen verwendet und eignet sich hervorragend als Modellmaterial. Die Nickelpartikel in unseren Experimenten sind perfekte Einkristalle. Das heißt deren Atome sind einheitlich in einem Kristallgitter geordnet. Solche Einkristalle sind ideal, um grundlegende Mechanismen zu verstehen, die auch für andere extrem verkleinerte Metallpartikel gelten.

Elektronenmikroskopie trifft Computersimulation

Um tausende identische Partikel herzustellen, nutzten wir einen Prozess namens „Festkörper-Entnetzung“. Dabei wird eine ultradünne Nickelschicht auf eine glatte Saphiroberfläche aufgebracht. Beim Erhitzen zieht sich die Schicht, ähnlich wie ein dünner Wasserfilm, in Tröpfchen zurück. Dadurch entstehen viele gleichförmige Nickelpartikel, die auf der Saphiroberfläche haften.

Diese Partikel pressten wir anschließend direkt im Elektronenmikroskop zusammen, sowohl extrem langsam als auch sehr schnell (bis 10 mm/s), bei Raumtemperatur und bei Temperaturen von unter -145°C. So konnten wir live beobachten, wie sich die Partikel unter verschiedenen Bedingungen verformen.

Nach den Experimenten schnitten wir einige Partikel auf und untersuchten ihr Inneres mit hochauflösender Elektronenmikroskopie. Im Querschnitt konnten wir sehen, wie sich durch die Belastung feine linienartige Defekte, sogenannte Versetzungen, gebildet haben. Parallel dazu führten wir dieselben Experimente mittels Computersimulationen durch. So konnten wir die beobachtete Verformung bis auf die atomare Ebene verstehen.

Die Geschwindigkeit bestimmt das Verhalten

Wenn die Partikel langsam zusammengedrückt werden, zeigen viele von ihnen zunächst eine zunehmende Widerstandskraft. Ab einer gewissen Belastungsgrenze bricht der Widerstand zusammen, und die Partikel verformen sich abrupt und bleiben dauerhaft verformt. Drückt man sie mit höherer Geschwindigkeit zusammen, verformen sich die Partikel gleichmäßiger. Das heißt, es gibt keine abrupte Belastungsgrenze. Allerdings sind sie schwerer zu verformen, je schneller sie belastet werden. Unsere Analyse zeigt, dass in beiden Fällen die schwächsten Stellen an der Oberfläche der Partikel liegen. Winzige Stufen und Rillen in der Nähe der Kanten, im atomaren Maßstab, dienen als Ausgangspunkte für eine permanente Verformung. An diesen Stellen entstehen linienartige Defekte, sogenannte Versetzungen, die anschließend in das Partikelinnere gleiten.

Warum spielt die Geschwindigkeit der Verformung eine Rolle? Die Versetzungen bewegen sich durch das Material. Bei langsamer Belastung entweichen sie häufig wieder an einer der Oberflächen, bevor neue entstehen. Dadurch kann sich im Inneren des Partikels mechanische Spannung aufbauen, bis plötzlich viele neue Versetzungen gleichzeitig entstehen. Dies erklärt den plötzlichen Abfall der Widerstandskraft. Im Gegensatz dazu haben bei sehr schneller Belastung die Versetzungen keine Zeit, an den Oberflächen zu entweichen. Sie schneiden sich im Inneren der Partikel und bilden ein Netzwerk. Dadurch verformen sich die Partikel insgesamt gleichmäßiger.

Wir haben unsere Experimente zunächst bei Raumtemperatur durchgeführt. Das Abkühlen der Partikel auf -145 °C macht sie insgesamt robuster, aber das grundlegende Verhalten bleibt gleich. Die Verformung wird dadurch bestimmt, wie leicht Versetzungen an der Oberfläche entstehen und sich durch das Material bewegen können. Unsere Simulationen, die an defektfreien Partikeln bei höherer Belastung durchgeführt wurden, zeigen dasselbe Verhalten.

Tunen der Oberflächenstruktur für robustere Elektronik

Unsere Arbeit zeigt, dass das mechanische Verhalten winziger Nickelpartikel durch ihre Oberflächenmorphologie und die Anzahl ihrer Defekte beeinflusst werden kann. Beides lässt sich während des Herstellungsprozesses einstellen. Diese Erkenntnis ist überall dort von großer Bedeutung, wo kleine Metallpartikel zum Einsatz kommen, aber auch in Hartstoffschichten, korrosionsbeständigen Schichten, flexiblen Sensoren und medizinischen Mikrogeräten, die aus kleinen Kristalliten (Partikeln) aufgebaut sind.

Durch die gezielte Gestaltung von Partikeloberflächen mit bestimmten Defektstrukturen oder Morphologien lässt sich kontrollieren, ob sich ein Material bei einem Aufprall plötzlich oder gleichmäßig verformen soll. Bei einem Notfall wäre etwa eine abrupte Verformung, welche die Abschaltung des Geräts triggert, gut. Eine langsame Verformung kann dagegen besser mechanische Energie aufnehmen und somit das Innere des Bauteils schützen.

Je besser wir verstehen, wie sich diese mikroskopisch kleinen Partikel verhalten, wenn sie extremen Bedingungen ausgesetzt sind, desto besser können wir Smartphones, Wearables und andere miniaturisierte Technologien, beispielsweise in der Sensor- oder Medizintechnik, entwickeln, die im Alltag zuverlässig funktionieren. Und wir können die Miniaturisierung von Technologien mit robusten und zuverlässigen elektronischen Bauteilen weiter vorantreiben.

Literaturhinweise