Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kleine Fehler haben große Wirkung

19.01.2004


Max-Planck-Materialforscher haben aufgedeckt, warum ferroelektrische Materialien im Nanometerbereich ihre nützlichen Eigenschaften verlieren


Abbildung 1a zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Bleizirkonat-Titanat-Insel ("PZT") im Querschnitt. "STO" ist die Strontium-Titanat-Unterlage der Insel. Die weißen "T"-Symbole bezeichnen die ebenfalls im Querschnitt abgebildeten linienförmigen Baufehler. Die hochaufgelöste elektronenmikroskopische Abbildung 1b zeigt einen Ausschnitt des ungestörten Kristallgitters fern von den Baufehlern, während Abbildung 1c eine computerbearbeitete Darstellung der Verzerrungen zeigt, welche in einem - wiederum im Querschnitt abgebildeten - Schlauch von ca. 8 mal 4 Nanometer Querschnitt um einen einzelnen Baufehler vorliegen. Die rot-gelben Spitzen markieren stark gestörte Gitterbereiche, während die grünen und blauen Bereiche das unverzerrte Gitter widerspiegeln.
Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik


Darstellung des Size-Effekts. Aufgetragen ist ein Speichersignal zweier unterschiedlich dicker, aber lateral annähernd gleich ausgedehnter PZT-Inseln in Abhängigkeit von der angelegten Gleichspannung. Die fast Parallelogramm-förmige blaue Kurve spiegelt die ausgeprägte Speicherfähigkeit einer 20 Nanometer dicken PZT-Insel wider: Zwei stabile Zustände von etwa +110 und -50 Einheiten liegen bei abgeschalteter Gleichspannung (Null auf der Abszisse) vor. Dagegen ist im Falle der nur 10 Nanometer dünnen Insel das Parallelogramm zu einer einzigen Linie zusammengefallen (rote Kurve), die durch den Nullpunkt führt. Diese Insel hat mithin nicht die Fähigkeit, eines von zwei stabilen Signalen zu speichern.
Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik



Viele Materialien verlieren ihre nutzbringenden Eigenschaften, wenn ihre äußeren Abmessungen unter einen bestimmten Schwellenwert fallen. Dieser so genannte Size-Effekt, dessen Ursachen vielfältig sein können, behindert die weitere Miniaturisierung von elektronischen, elektromechanischen und elektrooptischen Bauelementen. Für eine besonders aussichtsreiche Klasse von Materialien, die ferroelektrischen Oxide, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik jetzt herausgefunden, weshalb dieser Size-Effekt eintritt: Bestimmte, kaum ein Zehntel Nanometer dicke, linienförmige Baufehler verformen einen schlauchförmigen Materialbereich des ferroelektrischen Oxids von ca. 8 mal 4 Nanometer Querschnittsfläche so stark, dass das Material dort seine nutzbaren Eigenschaften verliert. Diese neuen Erkenntnisse zeigen, weshalb man bestimmte Baufehler strikt vermeiden muss, wenn ferroelektrische Oxide mit Abmessungen im Nanometerbereich eingesetzt werden und ihre elektronischen Speichereigenschaften und damit ihre Einsatzfähigkeit in neuartigen Bauelementen bewahren sollen (Nature Materials, Advanced Online Publication, 18. Januar 2004).



Die ständig steigenden Anforderungen an elektronische Bauelemente bringen es mit sich, dass immer neue Materialien in die Silizium-Mikroelektronik eingeführt werden, mit denen man teils neuartige Funktionen anstrebt, teils physikalische Grenzen klassischer Materialien überwinden will. Da der Trend zur Miniaturisierung weiter anhält, müssen diese neuen Materialien von vorn herein in sehr kleinen räumlichen Abmessungen eingesetzt werden. Diese liegen zumeist zwischen einigen wenigen und einigen Dutzend Nanometern. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Doch die Eigenschaften der meisten Materialien hängen im Nanometerbereich stark von ihren äußeren Abmessungen ab, so dass ihre gewünschte Funktionalität unterhalb einer bestimmten Abmessungs-Schwelle verloren geht. Deshalb versucht man in der materialwissenschaftlichen Grundlagenforschung, die Ursachen und Wirkungsmechanismen von Eigenschaftsänderungen bei verringerten äußeren Abmessungen, dem "Size-Effekt", detailliert aufzuklären.

Diese Herausforderung ist bei der Materialklasse der ferroelektrischen Oxide besonders akut, da diese Materialien in einem außergewöhnlich breiten Spektrum moderner elektronischer, elektromechanischer und elektrooptischer Bauelemente eingesetzt werden, aber gerade im Nanometerbereich ihre funktionsbestimmenden Eigenschaften verlieren können. Materialien dieser Art sind z.B. Bleizirkonat-Titanat, Strontiumwismut-Tantalat und Wismut-Titanat. Weil ferroelektrische Oxide binäre Signale speichern können, werden sie - in Kombination mit Silizium-Bauelementen - in dauerhaften "nichtflüchtigen" Speicherzellen eingesetzt, die ihre Information auch beim Abschalten der Versorgungsspannung nicht verlieren.

Gelänge es nun, nichtflüchtige Speicherzellen mit einer Datendichte von mehreren Milliarden Bit pro Quadratzentimeter herzustellen, könnten die Arbeitsspeicher von Personalcomputern wesentlich verbessert werden. Das zeit- und stromraubende Booten der Computer und das langsame Speichern der Daten auf der Festplatte würden dann der Vergangenheit angehören. Voraussetzung dafür ist aber eine Miniaturisierung der Speicherzellen bis in Dimensionen von wenigen Dutzend Nanometern. Die Frage, warum die ferroelektrischen Oxide unterhalb einer bestimmten Nanometer-Schwelle ihre Speichereigenschaften verlieren, ist daher zur Zeit von besonders großer Bedeutung. Weltweit arbeiten Festkörperphysiker daran, ohne dass bisher ein einheitliches Bild über die Ursachen der Size-Effekte in ferroelektrischen Oxiden entstanden wäre.

Einer Arbeitsgruppe um Ming-Wen Chu, Marin Alexe und Dietrich Hesse am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale) ist es nun gelungen, einen bisher nicht beachteten Mechanismus für den ferroelektrischen Size-Effekt aufzufinden. Die Max-Planck-Forscher konnten zeigen, dass bestimmte, kaum ein Zehntel Nanometer dicke, linienförmige Baufehler des Kristallgitters, die sich an der Grenzfläche zwischen kleinen, rund 10 Nanometer dünnen Bleizirkonat-Titanat-Inseln und der Strontiumtitanat-Unterlage ausbilden, ganz wesentlich zum Verlust der Speichereigenschaften dieser Inseln führen können. Mit Hilfe der hochauflösenden Elektronenmikroskopie haben die Wissenschaftler erkannt, dass jeder dieser - als "Gitterfehlpassungsversetzung" bezeichneten - Baufehler einen ca. 20 bis 50 Nanometer langen "Materialschlauch" des ferroelektrischen Oxids von ca. 8 mal 4 Nanometer Querschnittsfläche so stark verformt, dass das Material dort seine Speichereigenschaften verliert. Ist die ferroelektrische Insel so klein, dass ihr Volumen zu einem großen Teil aus derart verzerrten Materialschläuchen besteht, hat sie keinerlei Speichereigenschaften mehr. Die Ausbildung solcher Baufehler muss also strikt vermieden werden, wenn ferroelektrische Oxide mit Abmessungen im Nanometerbereich eingesetzt werden und dabei ihre Speichereigenschaften behalten sollen.

"Ein in der Halbleiterphysik seit langem bekanntes Problem, nämlich die störende Wirkung von Gitterfehlpassungsversetzungen auf die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanostrukturen, hat sich überraschenderweise nun auch für die Speicherfähigkeit ferroelektrischer Nanostrukturen als relevant herausgestellt. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten, um bestimmte Materialkombinationen gezielt für den Einsatz ferroelektrischer Oxide in miniaturisierten Speicherbauelementen auszuwählen", sagt Prof. Ulrich Gösele, Direktor und Wissenschaftliches Mitglied am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik.

Dieses Projekt wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft sowie durch die Volkswagen-Stiftung und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Priv.-Doz. Dr. Dietrich Hesse
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale
Tel.: 0345 5582-741, Fax: 0345 5511-223
E-Mail: hesse@mpi-halle.de

Dr. Dietrich Hesse | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpi-halle.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Hochvolt-Lösungen für die nächste Fahrzeuggeneration!

25.09.2017 | Seminare Workshops

Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

25.09.2017 | Seminare Workshops