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Erstmals Pyroelektrizität in zentrosymmetrischen Kristallen hervorgerufen

13.02.2015

Mit Begeisterung forschen die Mitarbeiter der Arbeitsgruppe „Verbindungshalbleiter und Festkörperspektroskopie“ um Prof. D. C. Meyer am Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg an Materialien, die auf eine Änderung der Umgebungstemperatur mit der Ausbildung einer elektrischen Oberflächenladung reagieren. Je nach Material können so Feldstärken von mehreren Kilovolt pro Millimeter entstehen. Diese sogenannten Pyroelektrika (griech. Feuer) treten in einer breiten Vielfalt auf und bergen große Potenziale für den Einsatz in Energie- und Stoffwandlungsprozessen.

Sie werden bereits kommerziell z. B. als Strahlungsdetektoren eingesetzt und derzeit intensiv auf ihre Eignung als Materialien zur Energiewandlung, Restwärmenutzung oder für eisabweisende Beschichtungen untersucht.


Ein SrTiO3 Einkristall in der pyroelektrischen Messkammer.

TU Bergakademie Freiberg/Sven Jachalke

Nun ist es den jungen Wissenschaftlern erstmals gelungen durch Anlegen eines elektrischen Feldes Pyroelektrizität in einer zentrosymmetrischen Kristallstruktur zu induzieren. Bei zentrosymmetrischen Kristallen handelt es sich um Kristalle, die durch die Spiegelung an einem Symmetriepunkt auf sich selbst abgebildet werden können.

Dieses Ergebnis wurde nun unter der Federführung der beiden Doktoranden Juliane Hanzig und Erik Mehner in der renommierten Fachzeitschrift New Journal of Physics veröffentlicht, die zu den Open-Access-Vorreitern der physikalischen Zeitschriften zählt.

„Am Beispiel des Strontiumtitanats konnten mithilfe einer pyroelektrischen Messmethode die dynamischen defektchemischen und physikalischen Transportprozesse in externen elektrischen Feldern auf atomarer Skala studiert werden. Besonders hervorzuheben gilt es, dass die materialspezifische Größe des pyroelektrischen Koeffizienten für SrTiO3 bei Raumtemperatur zu 30μC/m2K bestimmt werden konnte und dabei im Bereich herkömmlicher oxidischer Pyroelektrika, wie Lithiumniobat liegt“, beschreibt Nachwuchsforscherin Juliane Hanzig die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit.

Doktorand Erik Mehner ergänzt: „Der Grundgedanke der Neuartigkeit ist strukturelles Design in Materialen, die aus Symmetriegründen in der Natur nicht pyroelektrisch vorkommen können, indem gezielt durch atomares Design und Defekt Engineering die Symmetrie lokal erniedrigt wird.“

„Da die strukturellen Bedingungen für das Auftreten von Pyroelektrizität eine starke Einschränkung der Materialauswahl darstellen, war das Ziel der Untersuchungen klar definiert“, sind sich die beiden Doktoranden einig, „die Bereitstellung einer breiteren Materialbasis mit einem großen Spektrum an thermischen, dielektrischen und optischen Eigenschaften, die hinsichtlich ihrer Anwendung ausgesucht werden. Auf diese Weise werden verbesserte, in ihren Betriebsparametern an die jeweilige Aufgabe angepasste Funktionswerkstoffe bereitgestellt. Als wesentliche Vorteile erweisen sich in diesem Zusammenhang die Schaltbarkeit und die stufenlose Regelbarkeit der Pyroelektrizität. Im Hinblick auf neuartige Anwendungen erscheint diese Eigenschaft als vielversprechend um die Sensitivität eines elektronischen Bauelementes entsprechend einstellen zu können.“

Eine außergewöhnlichere Aufgabe hatte die Forschergruppe dann auch noch zu bewältigen, denn um die komplexen Vorgänge bei der Materialmodifikation besser verstehen zu können, wurde im Zuge der Veröffentlichung ein Video erstellt, welches auf der Homepage der Zeitschrift zur Verfügung steht: http://iopscience.iop.org/1367-2630/17/2/023036/

Weitere Informationen:

http://www.tu-freiberg.de
http://iopscience.iop.org/1367-2630/17/2/023036/

Madlen Domaschke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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