Die thermo-mechanischen, funktionellen und Verarbeitungseigenschaften von Keramiken werden gewöhnlich durch die Anpassung von Defekten gesteuert. Während null-, zwei- und drei-dimensionale Defekte gut untersucht sind, wurden ein-dimensionale Defekte, d.h. Versetzungen, bisher wenig genutzt, um Keramiken zu optimieren. Dies liegt an einem mangelnden Verständnis von Versetzungen in keramischen Kristallstrukturen. Außerdem sind Mechanismen, um Versetzungen in spröden Keramiken zu erzeugen und zu kontrollieren, bisher wenig untersucht. Mit einem besseren Verständnis von Versetzungen in Keramiken erwarten wir verbesserte Kontrolle über Versetzung und schlussendlich ihre Anwendung, um mechanische Eigenschaften wie z.B. Bruchzähigkeit, aber auch funktionale Eigenschaften wie Piezo- und Ferroelektrizität zu verbessern. Hierfür müssen Versetzungen jedoch auf mikroskopischer Ebene besser verstanden werden. Zu diesem Zweck verwenden wir atomistische Computersimulationen, um die mikroskopische Struktur von Versetzungen und deren Eigenschaften in SrTiO3, einem prototypischen Mitglied der wichtigen Perowskit-Familie, zu untersuchen.

In drei konsekutiven Abschnitten untersuchen wir (I) die Gleichgewichtsstruktur und Konfigurationen derjenigen Versetzungen, die sich durch äußere mechanische Spannung bei niedrigen Temperaturen kontrollieren lassen; (II) das Verhalten dieser Versetzungen unter angelegter Spannung, ihre Tendenz zu gleiten und Fehler während der Gleitbewegung; (III) den Einfluss von komplexen Strukturen mehrerer Versetzungen auf das makroskopische plastische Verhalten von SrTiO3.

Als Erstes klassifizieren wir die in der Literatur gefundenen Versetzungen in fünf Gruppen und modellieren diese atomistisch. Es stellt sich heraus, dass nur Versetzungen mit einem <110> Burgers Vektor und einer {1-10} Gleitebene in Partialversetzungen dissoziieren können. Unter Berücksichtigung analytischer Abschätzungen zeigt sich, dass sie dadurch zu guten Kandidaten für einfaches Versetzungsgleiten werden. Die Struktur dieser Versetzungen hängt jedoch stark von der Orientierung der Versetzungslinie und der Sauerstoffstöchiometrie im Versetzungskern ab.

Als Nächstes wird mechanische Spannung an jene Versetzungen angelegt, von denen eine Gleitbewegung erwartet wird. Neben der Abhängigkeit der Peierls-Spannungen von der Konfiguration des Versetzungskerns wird beobachtet, dass bestimmte Versetzungen während der Gleitbewegung Kristalldefekte zurücklassen.

Zuletzt untersuchen wir Strukturen vieler Versetzungen und deren Wechselwirkungen. Dafür kombinieren wir in silico Beobachtungen verschiedener Versetzungsstrukturen mit den Ergebnissen von ex situ Elektronenmikroskopie an mechanisch verformten SrTiO3 Einkristallen. Es wird gezeigt, dass Nukleationspunkte und Möglichkeiten für Versetzungsmultiplikation entscheidende Faktoren sind, welche die Plastizität von SrTiO3 ermöglichen.