Mikrostruktur und Phasenbildung hochorientierter TiNiCu- und NiMnAl-Formgedächtnisschichten, hergestellt mittels Molekularstrahl-Epitaxie

Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne Formgedächtnisschichten mittels Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) hergestellt und hinsichtlich ihrer Mikrostruktur und Transformationseigenschaften systematisch analysiert. Hierbei wurde zum einen das System TiNiCu als Vertreter der konventionellen Formgedächtnislegierungen, zum anderen das System NiMnAl, das zu der neuen Klasse der ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen gehört, untersucht. Neben der Herstellung von homogenen Schichten mit definierter Zusammensetzung wurde auch ein kombinatorischer Ansatz verfolgt. Hierbei wurden Gradientenschichten hergestellt, bei denen die Konzentrationen der einzelnen Elemente um etwa 1 at%/cm über das Substrat variieren. Auf diese Weise wurden Proben hergestellt, auf denen Austenit- und Martensitphase bei Raumtemperatur koexistent sind, so dass die Phasengrenze genauer analysiert werden konnte. Desweiteren wurden temperaturabhängige mechanische Spannungsmessungen durchgeführt, um die Transformationseigenschaften der Schichten zu untersuchen. Es wurden die Übergangstemperaturen der martensitischen Transformation, die Hysteresebreite und die Spannungsdifferenz zwischen Austenit- und Martensitphase (Spannungshub) bestimmt. Dies sind wichtige Parameter, die entscheidend sind für den Einsatz dieser Materialien in Anwendungsgebieten der Aktorik und Sensorik. Durch Querschliff-TEM Untersuchungen der NiMnAl-Schichten konnte die Koexistenz zweier Martensitphasen (M2 und M14) nachgewiesen werden, die in dieser Form bisher noch nicht beobachtet worden sind. Das Phasengefüge liegt in mesoskopisch-periodischer Anordnung vor, wobei die M14-Phase eine langperiodische shuffling-Struktur aufweist. Röntgenbeugungsmessungen, die mit Hilfe eines Flächendetektors durchgeführt wurden, zeigen, dass sich in den Formgedächtnisschichten eine besonders hohe Vorzugsorientierung einstellt. Bemerkenswert ist hierbei, dass sich diese ausgeprägte Orientierung auf einem amorphen, ungeordneten Substrat ausbildet. Für das NiTiCu-System wurde anhand der Analyseergebnisse ein Reaktionsschema entwickelt, welches, aufbauend auf der Ausbildung einer Phasensequenz während der Kristallisation, die Entstehung dieser hohen Orientierung erklärt. Die Grundidee dieses Modells konnte auf das NiMnAl-System übertragen werden und auch hier die hohe Orientierung erklären. Zusätzlich wurden NiMnAl-Filme auf einkristalline Substrate aufgewachsen, wobei gezeigt werden konnte, dass abhängig von der Unterlage rein epitaktisches Wachstum oder eine gestörte Epitaxie auftritt

High-throughput exploration of activity and stability for identifying photoelectrochemical water splitting materials

The experimental high-throughput (HT) exploration for a suitable solar water splitting photoanode hasgreatly relied on photoactivity as the sole descriptor to identify a promising region within the searchedcomposition space. Although activity is essential, it is not sufficient for describing the overallperformance and excludes other pertinent criteria for photoelectrochemical (PEC) water splitting.Photostability in the form of (photo)electrocatalyst dissolution must be tracked to illustrate the intricaterelation between activity and stability for multinary photoelectrocatalysts. To access these two importantmetrics simultaneously, an automated PEC scanning flow cell coupled to an inductively coupled plasmamass spectrometer (PEC-ICP-MS) was used to study an Fe–Ti–W–O thin film materials library. Theresults reveal an interrelation between composition, photocurrent density, and element-specificdissolution. These structure–activity–stability correlations can be represented using data science toolslike principal component analysis (PCA) in addition to common data visualization approaches. This studydemonstrates the importance of addressing two of the most important catalyst metrics (activity andstability) in a rapid and parallel fashion during HT experiments to adequately discover high-performingcompositions in the multidimensional search space

Preparation of 24 Ternary Thin Film Materials Libraries on a Single Substrate in One Experiment for Irreversible High-Throughput Studies

For different areas of combinatorial materials science, it is desirable to have multiple materials libraries: especially for irreversible high-throughput studies, like, for example, corrosion resistance testing in different media or annealing of complete materials libraries at different temperatures. Therefore a new combinatorial sputter-deposition process was developed which yields 24 materials libraries in one experiment on a single substrate. It is discussed with the example of 24 Ti–Ni–Ag materials libraries. They are divided based on the composition coverage and orientation of composition gradient into two sets of 12 nearly identical materials libraries. Each materials library covers at least 30–40% of the complete ternary composition range. An acid etch test in buffered-HF solution was performed, illustrating the feasibility of our approach for destructive materials characterization. The results revealed that within the composition range of Ni < 30 at.%, the films were severely etched. The composition range which shows reversible martensitic transformations was confirmed to be outside this region. The high output of the present method makes it attractive for combinatorial studies requiring multiple materials libraries