Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenanalyse weist Weg zu besseren Solarzellen, Supraleitern und Festplatten

14.04.2014

Eine neue Röntgenanalyse an DESYs hellen Forschungslichtquellen weist den Weg zu besseren Solarzellen, Supraleitern und Festplatten.

Die Arbeit, die in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals "Nature Communications" vorgestellt wird, gibt neue Einblicke in die Phänomene an der Grenzfläche zweier Materialien, wo sich völlig neue Eigenschaften ausbilden können. Mit der Untersuchung hat das Team um Prof. Andrivo Rusydi von der National-Universität Singapur und Prof. Michael Rübhausen vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ein lange unverstandenes Rätsel der Festkörperphysik gelöst. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und Max-Planck-Gesellschaft. 


Ist die Lanthanaluminat-Schicht dünner als drei Elementarzellen, verteilen sich die Elektronen in Untereinheiten (l), ist sie mindestens vier Zellen dick, wandern Elektronen in die Grenzschicht (r).

Illustration: Michael Rübhausen, Universität Hamburg

"Grenzflächen sind zurzeit ein zentrales Thema in der Materialforschung", erläutert Rusydi. "Wenn zwei unterschiedliche Materialien zusammengebracht werden, können ganz neue Eigenschaften entstehen. So können beispielsweise zwei nicht-magnetische und elektrisch isolierende Materialien an ihrer Grenzfläche metallisch und magnetisch werden." Grund für diesen Charakterwechsel der Materialien ist die gebrochene Symmetrie an ihrer Grenzfläche, wie Rübhausen erklärt, der Professor an der Universität Hamburg ist. "Die beiden Materialien haben verschiedene Eigenschaften und Strukturen. Wenn man sie in Kontakt bringt, müssen sie sich miteinander arrangieren, und das führt zu neuen Eigenschaften."

Dieses Phänomen lässt sich beispielsweise ausnutzen, um kleinere Festplatten zu entwerfen. "Gewöhnlich steuern die Volumen-Eigenschaften des Materials die Eigenschaften von Festplatten, für eine weitere Miniaturisierung möchten wir ihre physikalischen Eigenschaften gerne über die Grenzflächenstruktur kontrollieren", sagt Rusydi. "Allerdings verstehen wir noch nicht vollständig, was an der Grenzfläche passiert." Als Beispiel hat die Gruppe die Grenzfläche der beiden Übergangsmetalloxide Strontiumtitanat (SrTiO3) und Lanthanaluminat (LaAlO3) untersucht. Die beiden Isolatoren bilden eine elektrisch leitende Grenzschicht. "Basierend auf Maxwells Theorie sollten wir allerdings eine zehnfach höhere Leitfähigkeit beobachten", betont Rusydi. "90 Prozent der Ladungsträger, der Elektronen, scheinen verschollen. Das war uns bislang ein völliges Rätsel."

Auf der Suche nach den "verschollenen" Elektronen haben die Wissenschaftler die Grenzregion der beiden Materialien mit DESYs heller Forschungslichtquelle DORIS III ausgeleuchtet und dafür Licht aus einem breiteren Ultraviolett-Energiebereich benutzt als jede Untersuchung zuvor. "Alle Elektronen in dem Material sind wie kleine Antennen", erläutert Rusydi. "Je nach ihrem eigenen energetischen Zustand sprechen sie auf elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen an." Wird vom eingestrahlten Synchrotronlicht bei einer bestimmten Wellenlänge etwas absorbiert, verrät dies den Forschern den energetischen Zustand der korrespondierenden Elektronen und damit ihr Versteck im Kristallgitter.

Die Untersuchung zeigt, dass nur ein Teil der erwarteten Elektronen tatsächlich zur Grenzregion wandert, um eine leitende Schicht zu formen. Die meisten Elektronen verteilen sich in Untereinheiten des Lanthanaluminats um, wo sie bisherigen Techniken in früheren Untersuchungen verborgen blieben.

Außerdem beobachteten die Wissenschaftler, dass der Transfer von Elektronen aus dem Kristallgitter zur Grenzschicht von der Zahl der sogenannten Elementarzellen des Lanthanaluminats in dem untersuchten Kristall abhängt. Als Elementarzelle bezeichnen Festkörperphysiker die kleinste Einheit eines Kristalls, der sich damit als geordnete Aneinanderreihung vieler identischer Elementarzellen beschreiben lässt. Ist die Lanthanaluminat-Schicht dünner als drei Elementarzellen, verteilen sich sämtliche Elektronen neu innerhalb der Lanthanaluminat-Untereinheiten, kein Elektron wandert zur Grenzfläche mit dem Strontiumtitanat, die damit ein elektrischer Isolator bleibt.

Dies erklärt, warum Materialschichten in der Regel deutlich dicker als eine Elementarzelle sein müssen, damit sich Grenzflächen-Phänomene voll ausbilden. "Wenn nur ein Teil der Elektronen zur Grenzfläche wandert, ist ein größeres Volumen nötig, um die Brechung der Symmetrie an der Oberfläche zu kompensieren", erläutert Rusydi. Dank ihrer Arbeit können die Forscher das Verhalten dieser speziellen und anderer Grenzflächen nun besser verstehen.

"Im Prinzip kann unsere Untersuchungstechnik für jede Art Grenzfläche benutzt werden", betont Rübhausen. "Wir haben gerade erst angefangen, die grundlegenden Eigenschaften von Grenzflächen damit zu untersuchen." Weitere Untersuchungen müssen allerdings warten, bis die sogenannte Superlumi-Messstation, die für diese Arbeit benutzt wurde, von der inzwischen abgeschalteten Lichtquelle DORIS III an die DESY-Lichtquelle PETRA III transferiert worden ist. "Im Moment gibt es keine Anlage weltweit, die dieses messen kann", unterstreicht Rübhausen.

Mit einem besseren Verständnis der Grenzflächen lassen sich deren Eigenschaften besser steuern, erwarten die Forscher. "Wenn wir lernen, wie wir die Grenzflächen kontrollieren, können wir völlig neue Eigenschaften konstruieren", sagt Rübhausen.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung
"Mechanisms of charge transfer and redistribution in LaAlO3/SrTiO3 revealed by high-energy optical conductivity"; T.C. Asmara et al.; Nature Communications (2014); DOI: 10.1038/ncomms4663

Wissenschaftliche Ansprechpartner
Prof. Michael Alexander Rübhausen, Universität Hamburg, +49 40 8998-6600, mruebhau@physnet.uni-hamburg.de
Prof. Andrivo Rusydi, National University of Singapore, phyandri@nus.edu.sg

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie