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Bleifrei rechnen

17.12.2012
Eigentlich ist das giftige Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) seit 2006 in Europa verboten. Doch weil es bisher keine Alternativen mit vergleichbar guten Eigenschaften gibt, darf das Material noch immer verwendet werden.
Es findet sich z.B. als nichtflüchtiges Speichermaterial in Computern und Einspritzsystemen von Autos. Wissenschaftler des IKZ haben nun ferroelektrische Materialien entwickelt, die das PZT in einigen Anwendungsbereichen ersetzen könnten.

„Eigentlich komme ich von den klassischen Halbleitern“, erklärt Dr. Jutta Schwarzkopf vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), „da ist die Welt übersichtlicher“. In ihrer jetzigen Forschung nutze sie ein viel größeres Spektrum des Periodensystems der Elemente, womit sich mehr Möglichkeiten bieten, Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen.

Das Natrium-Niobat ist eigentlich farblos. Die Färbung entsteht durch das Substrat – lila: NdGaO3 (Neodym-Gallat), weiß: SrTiO3 (Strontium-Titanat), gelb: DyScO3 (Dysprosium-Scandat)

Foto: IKZ

Mit Natrium-Niobat, einem an sich antiferroelektrischem Material, ist es ihrer Gruppe nun gelungen, bleifreie Schichten abzuscheiden, die ferroelektrische Eigenschaften aufweisen und vielleicht einmal in Zukunft das PZT aus Computern und Sensoren ersetzen könnten. Erreicht hat sie dies, indem sie das Material in Schichten gezüchtet hat, in die sie Verspannungen eingebaut hat. Bislang wurden Alkali-Niobate, zu denen das Natrium-Niobat gehört, kaum in Schichten hergestellt, da Alkalimetalle wie Natrium und Kalium sehr flüchtig und somit schwierig zu handhaben sind.

Natrium-Niobat zeigt im unverspannten Zustand keine ferroelektrischen Eigenschaften. Spannend wird das Material aber, wenn das Substrat, auf das die Schichten aufwachsen, eine etwas größere oder kleinere Gitterstruktur als das Natrium-Niobat aufweist. Bei einer kleineren Gitterstruktur des Substrates wird das Natrium-Niobat zusammengepresst, dadurch dehnt sich die Gitterzelle nach oben aus. Es kommt zu einer Verschiebung der positiven und negativen Ladungen und zu einer Polarisierung aus der Ebenen der Schicht hinaus.

Man spricht von einer kompressiven Verspannung. Bei der tensilen Verspannung ist die Gitterstruktur des Substrats etwas größer als die des Natrium-Niobats. Das Gitter wird auseinandergezogen, die Polarisation geschieht nun innerhalb der Ebene. Die Richtung der Polarisation entscheidet über die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials. „Wir können mit dieser Verspannung spielen und erhalten so genau die Eigenschaften, die das Material haben soll“, erklärt Schwarzkopf. Dieses Arbeitsgebiet wird als „Strain Engineering“ bezeichnet. Die dafür verwendeten Substrate kommen z.T. auch aus dem IKZ, wo sie in der Gruppe von Hr. Uecker gezüchtet werden.

Ferroelektrische Materialien werden für nichtflüchtige Speichermedien eingesetzt – wenn der Stecker gezogen wird, sollen die Informationen schließlich nicht verloren gehen. Auch in Touchscreens, Sensoren und Mobilfunkgeräten kommen sie zum Einsatz.

Mit den Materialien kann man auch ganz neue Anwendungsfelder vorantreiben, etwa das „Energy Harvesting“. Werden nur kleine Energiemengen für mobile Geräte wie Sensoren oder Sender benötigt, kann man diese Energie zum Beispiel durch Schwingungen aus Bewegung gewinnen. Ein kleines Bauteil in der Schuhsohle könnte so eine Batterie ersetzen und kleine Energiemengen könnten völlig autark hergestellt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind „Surface Acoustic Waves“ (SAW) für Hochfrequenz-Bauteile.

Für diese Bereiche könnte nicht nur das Natrium-Niobat sondern auch andere Alkali-Niobate wie das Kalium-Niobat oder Mischkristalle aus beiden Komponenten eingesetzt werden, was ebenfalls seit kurzem untersucht wird
Derzeit sucht Jutta Schwarzkopf nach einem Industriepartner, damit wir in Zukunft nicht nur bleifrei fahren, sondern auch bleifrei rechnen können.

Kontakt:
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
Dr. Jutta Schwarzkopf
jutta.schwarzkopf@ikz-berlin.de
Tel.: (030) 6392-3053

Gesine Wiemer | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.ikz-berlin.de/

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