Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue industrierelevante Erkenntnisse der Bor-Forschung

28.09.2011
Einem Forschungsteam an der Universität Bayreuth ist es gelungen, Alpha-Bor eindeutig als thermodynamisch stabile Phase von Bor zu identifizieren.

Die jetzt in "Scientific Reports" veröffentlichten Forschungsergebnisse bilden zudem eine Grundlage, um Alpha-Bor-Einkristalle im Industriemaßstab mit Hochdrucktechnologien herzustellen. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für industrielle Anwendungen, insbesondere für die Halbleiter-Industrie und die Gewinnung von Solarstrom.


Alpha-Borkristalle mit einer Länge von ca. 2 mm unter dem optischen Mikroskop. Zahlreiche physikalische Eigenschaften von Alpha-Bor sind für technische Anwendungen von besonderem Interesse. Alpha-Bor ist ein Halbleiter mit breiter direkter Bandlücke, der sich durch einen hohen Härtegrad, Hitzebeständigkeit und eine vergleichsweise geringe Dichte auszeichnet.
Abb.: Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia

Das 1808 entdeckte Bor ist eines der rätselhaftesten chemischen Elemente. Wegen seiner äußerst hohen Reaktivität kommt es in der Natur nicht in Reinform vor. Unter hohen Drücken und Temperaturen lassen sich reine Borkristalle künstlich herstellen. Dabei entstehen, abhängig von der Höhe der Drücke und Temperaturen, drei verschiedene Arten von Borkristallen, die in der Forschung als "Phasen" bezeichnet werden. Diese unterscheiden sich durch ihre unterschiedlich komplexen Strukturen und werden Alpha-, Beta- oder Gamma-Bor genannt.

Lange Zeit war die Wissenschaft uneins über eine für die Grundlagenforschung und ebenso für technologische Anwendungen hochrelevante Frage: Welches ist die stabilste Bor-Phase? Ein Team um Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia, Heisenberg-Professorin für Materialphysik und Technologie an der Universität Bayreuth, und Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky am Bayerischen Geoinstitut (BGI) hat diesen Streit jetzt eindeutig zugunsten von Alpha-Bor entscheiden können. Während gemeinsamer Forschungsarbeiten in Bayreuth, in die auch das GeoForschungsZentrum Potsdam einbezogen war, stellte sich überdies heraus: Moderne Hochdruck-Technologien können voraussichtlich so angepasst werden, dass es möglich ist, Alpha-Bor im Industriemaßstab zu produzieren. Über diese Erkenntnisse berichten die Wissenschaftler aus Bayreuth und Potsdam in der neuesten Ausgabe von "Scientific Reports".

In den Hochdrucklaboratorien des BGI – einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth – wurde eine Serie unterschiedlicher Borkristalle synthetisiert, bei Temperaturen bis zu 2300 Kelvin (ca. 2030 Grad Celsius) und Drücken bis zu 15 Gigapascal. Ein Vergleich zeigt die Außergewöhnlichkeit dieser künstlich erzeugten Bedingungen: Würde man den Pariser Eiffelturm auf einer Fingerspitze balancieren, entspräche das einem Druck von 10 Gigapascal. Borkristalle der Alpha-Phase entstanden im BGI bei Drücken zwischen 4 und 11 Gigapascal, die mit Temperaturen zwischen 1400 und 1900 Kelvin einhergingen. Die experimentell gewonnenen Daten führten zu dem Ergebnis, dass diese Alpha-Borkristalle – und nicht, wie vielfach vermutet, Beta-Borkristalle – die stabilste Bor-Phase darstellen.

Zugleich gelang es den Forschern, die im Labor synthetisierten Alpha-Borkristalle genauer zu charakterisieren. Eine Reihe von Eigenschaften, die für technologische Anwendungen besonders relevant sind, wurden durch hochpräzise Messungen entweder bestätigt oder erstmals zuverlässig nachgewiesen: Alpha-Bor ist ein Halbleiter mit breiter direkter Bandlücke, zeichnet sich durch einen außerordentlichen Härtegrad aus, ist hitzebeständig und vergleichsweise leicht.

Von besonderem Interesse für die Forschung und für industrielle Anwendungen sind Bor-Einkristalle. Einkristalle sind Festkörper mit einer durchgängigen Kristallstruktur, die von inneren Bruchstellen frei ist und daher keine sogenannten Korngrenzen aufweist. Eine derartige fehlerfreie Struktur kann einem Einkristall einzigartige mechanische, optische und elektrische Eigenschaften verleihen. Diese Eigenschaften machen Einkristalle zu wertvollen Bestandteilen von Juwelen. Vor allem aber können sie für technologische Anwendungen, insbesondere auf den Gebieten der Optik und der Elektronik, industriell genutzt werden. Vertiefte Forschungsarbeiten zu den Anwendungspotenzialen von Alpha-Bor wurden bislang dadurch erschwert, dass es kein zuverlässiges Verfahren gab, um Alpha-Bor-Einkristalle zu synthetisieren. Dieses Hindernis ist jetzt ausgeräumt. Der in "Scientific Reports" veröffentlichte Beitrag enthält ein Phasendiagramm, das Stabilitätsfelder der Borphasen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Strukturen abbildet. Damit liegt jetzt eine Anleitung für die gezielte Herstellung von Borkristallen vor, einschließlich von Alpha-Bor-Einkristallen.

Die an der Universität Bayreuth erzielten Forschungsergebnisse erschließen so die Möglichkeit, Borkristalle für innovative Anwendungen in verschiedenen Technologiezweigen nutzen zu können. Insbesondere für die Halbleiter-Industrie ist das voraussichtlich im Industriemaßstab produzierbare Alpha-Bor ein hochattraktiver Werkstoff. Zudem eignet es sich möglicherweise für den Bau von Solarzellen, die mit hoher Effizienz das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln.

Veröffentlichung:

Gleb Parakhonskiy, Natalia Dubrovinskaia, Elena Bykova,
Richard Wirth, Leonid Dubrovinsky,
Experimental pressure-temperature phase diagram of boron:
resolving the long-standing enigma,
in: Scientific Reports (2011), 1 : 96,
DOI-Bookmark: 10.1038/srep00096
Veröffentlicht am 19. September 2011, siehe:
http://www.nature.com/srep/2011/110919/srep00096/full/srep00096.html
Ansprechpartner für weitere Informationen:
Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3880
E-Mail: natalia.dubrovinskaia@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beton - gebaut für die Ewigkeit? Ressourceneinsparung mit Reyclingbeton
19.04.2017 | Hochschule Konstanz

nachricht Gelatine statt Unterarm
19.04.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung