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Mikrostruktur und Dynamik von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinem Palladium

Striffler, Thomas :
Mikrostruktur und Dynamik von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinem Palladium.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mikrostruktur und Dynamik von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinem Palladium
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit stellt Neutronenkleinwinkelstreuexperimente an Wasserstoff- und Deuterium-dotiertem nanokristallinen Palladium vor, sowie neutronenspektroskopische Experimente zur Untersuchung der Wasserstoff-Diffusion und niederfrequenter Schwingungen in nanokristallinem Palladium. Nanokristalline Materialien bestehen aus Kristalliten, deren Korndurchmesser typischerweise zwischen 2 und 50 nm liegen. Aufgrund der geringen Korngröße befindet sich bei diesen Materialien im Vergleich zu herkömmlichen grob-polykristallinen Materialien ein beträchtlich größerer Anteil der Atome in der ungeordneten Umgebung von Korngrenzen. Dies führt zu einer Vielzahl von neuen interessanten physikalischen Eigenschaften. Ein Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Mikrostruktur von nanokristallinem Palladium mittels Neutronenkleinwinkelstreuung. Um den Informationsgehalt bei diesem Experiment zu erhöhen, wurden durch aufeinanderfolgende Dotierungen der Proben mit Wasserstoff und Deuterium die Streulängenkontraste innerhalb der Proben gezielt geändert. So konnten der mittlere Kornradius, die Korngrenzendicke und die Palladiumdichte in den Korngrenzen ermittelt werden. Weiter ergaben die Messungen an den beiden Wasserstoff- und Deuterium-dotierten Proben, dass sich Wasserstoff und Deuterium bei niedrigen Konzentrationen vorwiegend in den Korngrenzen anlagert. Die Neutronenstreumessungen zu diesem Experiment wurden mit dem Instrument D22 am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble durchgeführt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Wasserstoff-dotiertem nanokristallinen Palladium mittels energieaufgelöster Neutronenstreuexperimente. Speziell der Einfluß der Korngrenzen auf die Wasserstoff-Diffusion und das Schwingungsverhalten des Palladiums sollte hierbei untersucht werden. Bereits in früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass das Schwingungsverhalten in nanokristallinen Materialien durch den größeren Volumenanteil an Korngrenzen im Vergleich zu grob-polykristallinen Materialien verändert ist. Bei der Untersuchung des Schwingungsverhaltens in dem hier beschriebenen Experiment diente der Wasserstoff als Sonde für die Schwingungen der Palladium-Atome in den Korngrenzen. Der in den Korngrenzen befindliche Wasserstoff folgt den Schwingungsbewegungen der schwereren Palladium-Atome. Da sein inkohärenter Wirkungsquerschnitt deutlich größer ist als der kohärente und der inkohärente Wirkungsquerschnitt von Palladium, können mit der inkohärenten Streuung des Wasserstoffs die niederfrequenten Schwingungsmoden (band modes) des Palladiums sichtbar gemacht werden. Auswertungen des inkohärenten Neutronenstreuspektrums von nanokristallinem Palladium ergaben, dass sich die Phononenzustandsdichte bei niedrigen Frequenzen sehr gut mit einer linearen Frequenzabhängigkeit beschreiben lässt. Aufgrund dieser linearen Frequenzabhängigkeit hat der Intensitätsbeitrag durch Phononen das Aussehen einer quasielastischen Verbreiterung, wie sie auch durch die Wasserstoff-Diffusion entsteht. Diese Tatsache erschwert eine gleichzeitige Auswertung der beiden Beiträge erheblich. Aber dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Wasserstoff-Diffusion bei tiefen Temperaturen zum Erliegen kommt und somit dann auch deren Intensitätsbeitrag verschwindet. Aus diesem Grund wurden in dem hier beschriebenen Experiment viele Neutronenstreumessungen innnerhalb eines Temperaturbereichs von 2 K bis 290 K durchgeführt. Die Auswertung der Messdaten bei tiefen Temperaturen vereinfacht sich dann erheblich, da für die Auswertung dieser Daten kein Intensitätsbeitrag durch Wasserstoff-Diffusion berücksichtigt werden muss. Trotzdem ist die Analyse der bei tiefen Temperaturen gemessenen Daten nach wie vor kompliziert, da der Debye-Waller-Faktor aufgrund der linearen Zustandsdichte verschwindet. Man beobachtet somit keine Nullphononenprozesse mehr sondern nur noch Multiphononenprozesse beliebig hoher Ordnung. Daraus folgt, dass die normalerweise anwendbare Einphononennäherung im Fall von nanokristallinem Palladium nicht mehr gerechtfertigt ist. Aber in dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Phononenstreufunktion auch nummerisch durch eine Fast-Fourier-Transformation der intermediären Phononenstreufunktion berechnet werden kann. Für die hier durchgeführten zeitaufgelösten Neutronenstreuexperimente wurde das Flugzeitspektrometer IN6 am ILL in Grenoble verwendet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work presents small-angle-neutron-scattering experiments on Hydrogen- and Deuterium-doped nanocrystalline Palladium as well as neutron-spectroscopical experiments for the investigation of the hydrogen-diffusion and low-frequency vibrations in nanocrystalline Palladium. Nanocrystalline materials consist of crystallites, which have grain-diameters typically between 2 and 50 nm. Because of this small grain size the amount of atoms in the disordered environment of grain boundaries is noticably higher than in coarse grained materials. This leads to many new interesting physical properties. One intention of this study was the investigation of the microstructure of nanocrystalline Palladium by means of small-angle-neutron-scattering. To increase the information content of this experiment, the scattering length contrasts in the samples were varied by an aimed successive doping of the samples with Hydrogen and Deuterium. This way the mean grain radius, the grain boundary thickness and the mean palladium density in the grain boundaries could be determined. The measurements of the two Hydrogen- and Deuterium-doped samples also showed, that at low concentrations the Hydrogen and the Deuterium is mainly located in the grain boundaries. The neutron scattering measurements were carried out at room temperature with instrument D22 at Institute Laue-Langevin in Grenoble. Another aim of this study was the investigation of the dynamical properties of Hydrogen-doped nanocrystalline Palladium by energy-resolved neutron scattering experiments. Especially the influence of the grain boundaries on the Hydrogen-diffusion and the vibration behaviour should be investigated by these experiments. Previous experiments have already shown, that the vibration behaviour of nanocrystalline materials is modified in comparision to that of coarse grained materials by the bigger amount of grain boundary volume. In the investigation of the vibration behaviour described here, the Hydrogen serves as a probe for the vibrations of the Palladium-atoms in the grain boundaries. The Hydrogen in the grain boundaries follows the movements of the heavier Palladium-atoms. Since the incoherent scattering cross section of Hydrogen is much larger than the coherent and the incoherent scattering cross section of Palladium, the incoherent scattering of the Hydrogen can be used to uncover the low frequency vibration modes (band modes) of the Palladium. This way one finds that in the low frequency regime the phonon density of states in nanocrystalline Palladium can be well described by a linear frequency dependency. As a consequence of this, the intensity contribution caused by phonons looks very similar to the quasielastic line-broadening caused by the Hydrogen-diffusion. This fact complicates a simultaneous analysis of both contributions significantly. But this problem could be mastered because at very low temperatures the Hydrogen-diffusion comes to rest and thus also its scattering contribution dies down. For this reason neutron scattering measurements in a large temperature range from 2 K to 290 K were performed during the experiment described here. In the case of the low temperature data the analysis simplifies extremely, since for the modelling of these data no scattering contribution due to Hydrogen-diffusion must be taken into account. But the analysis of the low temperature data is still complicated as the linear density of states in nanocrystalline Palladium causes the Debye-Waller-factor to vanish. For this reason there are no null-phonon-processes but many multi-phonon processes of arbitrary high order. Consequently the normally used one-phonon-approximation, which leads to an analytical expression of the phonon scattering function, is not applicable in the case of nanocrystalline Palladium. But this study shows that the phonon scattering function can also be calculated numerically by fast fourier transformation of the intermediate scattering function. The time-resolved neutron-scattering experiments described in this study were carried out with the time-of-flight-sprectrometer IN6 at ILL in Grenoble.English
Uncontrolled Keywords: nanophase, small angle neutron scattering
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
nanophase, small angle neutron scatteringEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000134
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1344
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Feile, Prof. Dr. R.
Advisors: Wipf, Prof. Dr. H.
Refereed: 25 April 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/134
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