Diamant mit verborgenen Eigenschaften

Ein Diamant ist per se weder für die Mikroelektronik tauglich – er ist nicht leitend – noch ist er ein Supraleiter, also ein Material, das verlustfrei Strom leitet.

Implantiert man Bor-Atome in die Oberfläche eines Diamanten, so wird er halbleitend und damit interessant für die Mikroelektronik. Ein deutsches Wissenschaftlerteam erforschte nun mit modernsten Untersuchungstechniken die supraleitenden Eigenschaften bei diesem Material. Nachzulesen ist dies in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States“.

Ein Diamant, in den Bor-Atome implantiert wurden, wird nicht nur halbleitend, sondern weist auch sehr gute thermoelastische und mechanische Eigenschaften auf. Seit 2004 ist zudem bekannt, dass die Verbindung aus Diamant und Bor supraleitend ist. Bisher unbekannt waren jedoch die genauen Zusammenhänge, also beispielsweise, ob die Supraleitung eine universelle Eigenschaft von Diamanten ist oder ob die Konzentration der Bor-Atome, die sich im Kristallgitter eines Diamanten befinden, die Temperatur bestimmt, bei der die Verbindung supraleitend wird. Diese Temperatur wird Sprungtemperatur genannt. Supraleitung tritt meist nur bei sehr tiefen Temperaturen auf.

Ein Forscherteam aus Heidelberg, Bayreuth, Potsdam und Dresden setzte Untersuchungstechniken wie die hochauflösende Transmissionselektronen-Spektroskopie und die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie ein und lüftete damit einige der Rätsel um die Materialverbindung von Diamant und Bor. Die Mineralphysikerin Priv.-Doz. Dr. Natalia Dubrovinskaia stellte zunächst die Verbindung unter hohem Druck und bei sehr hohen Temperaturen her, also unter Bedingungen, wie sie im Inneren der Erde herrschen.

Durch ausgefeilte Untersuchungstechniken fand das Wissenschaftlerteam der Universitäten Heidelberg und Bayreuth, des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ) und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) heraus, dass die Supraleitung der Verbindung nicht von einer hohen Bor-Konzentration im Diamant abhängig ist. Vielmehr wiesen die untersuchten Diamantkörner, entgegen der bisher gültigen wissenschaftlichen Meinung, nur eine geringe Menge von Bor auf. Die genaue Untersuchung der Mikrostruktur zeigte zudem erstmals, dass sich das Bor amorph, also ohne geordnete Struktur, zwischen den Diamantkörnern befindet.

„Diese Ergebnisse“, so die Heidelberger Privatdozentin Dr. Natalia Dubrovinskaia von der Forschungsgruppe Mineralphysik des Instituts für Geowissenschaften, „eröffnen neue Einsichten in das supraleitende Wesen von Diamanten: Das ist eine genauso überraschende wie unerwartete Entdeckung. Unsere Ergebnisse verändern die Richtung der Untersuchungen im Bereich der supraleitenden diamanthaltigen Materialien komplett, sodass sie völlig neue Perspektiven in der Synthese superharter und supraleitender Nanokompositen eröffnen.“

Veröffentlichung: N. Dubrovinskaia, R. Wirth, J. Wosnitza, T. Papageorgiou, H. F. Braun, N. Miyajima, L. Dubrovinsky, „An insight into what superconducts in polycrystalline boron-doped diamonds based on investigations of microstructure“, in: PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States, August 2008 (http://www.pnas.org/papbyrecent.shtml).

Kontakt:
Priv.-Doz. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Forschungsgruppe Mineralphysik,
Institut für Geowissenschaften der Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 236, D-69120 Heidelberg
Tel. 06221 548533, Mobil:160-92407359
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