Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektrochemie auf atomarer Ebene

30.04.2012
Forscher aus Jülich, Aachen und Japan beobachten die Bildung neuer Phasen auf der Oberfläche eines Supraionenleiters

Forscher aus Jülich, Aachen und Tsukuba in Japan zeigen eine neue Möglichkeit, elektrochemische Prozesse auf atomarer Skala zu studieren. Die Methode könnte helfen, die Energieeffizienz solcher Systeme zu verbessern.

Elektrochemische Systeme sollen zukünftig eine neue Form schneller und energiesparender Arbeitsspeicher in der Informationstechnologie ermöglichen. Die Methodik eröffnet außerdem neue Möglichkeiten der Untersuchung und Optimierung von Systemen, wie Brennstoffzellen, Batterien, chemischen Sensoren und Katalysatoren.

Nachzulesen sind die Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Nature Materials" (DOI: 10.1038/NMAT3307).

Elektrochemische Prozesse sind gekennzeichnet durch Reduktions- und Oxidationsprozesse an der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter
(Elektrode) und einem Ionenleiter (Elektrolyt). Bereits Michael Faraday
(1791-1867) hat die elektrochemische Metallabscheidung untersucht und als elektronischen Ladungstransfer zwischen positiv geladenen Metallionen und der Elektrode beschrieben, der zu der Metallabscheidung auf der Elektrode führt.

Eine Forschungsgruppe der Jülich Aachen Research Alliance (JARA), Sektion "Fundamentals of Future Information Technology", unter der Führung von Professor Rainer Waser untersucht gemeinsam mit einer von Professor Masakazu Aono (National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan) geleiteten Forschergruppe elektrochemische Zellen auf der Nanometer-Skala als mögliche Speicherelemente für die Informationstechnologie. Diese so genannten elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM) könnten einmal die heutigen Arbeitsspeicher (so genannte Dynamic Random Access Memories DRAM, und die nichtflüchtigen FLASH-Speicher) ablösen, da sie prinzipiell schneller und energieeffizienter schalten können.

Die Funktionsweise der ECM-Zellen beruht auf Silber- oder Kupferionenleitenden Elektrolyten. Durch Anlegen von elektrischen Spannungspulsen werden metallische Fasern gebildet oder aufgelöst, so genannte Filamente. Dabei ändert sich der Widerstand des Gesamtsystems sprunghaft, von einigen Ohm (Kurzschuss durch das Filament) bis zu Millionen Ohm (ohne Filament). Die beiden Zustände repräsentieren die Booleschen Zustände 0 und 1, die die Grundlage der digitalen Datenverarbeitung bilden.

In früheren Arbeiten konnte die Gruppe um Professor Aono bereits zeigen, dass die ECM-Zellen ein viel besseres Potential hinsichtlich der Miniaturisierung in der Nanoelektronik aufweisen als die konventionellen

DRAM- und FLASH-Speicherelemente.

In ihren jüngsten Studien der detaillierten Prozessschritte beim Schalten von ECM-Zellen ist den Arbeitsgruppen nun ein entscheidender Durchbruch gelungen. Zunächst konnten die Forscher die Oberfläche eines so genannten Supraionenleiters, dem Rubidium-Silber-Iodid (chem. Formel: RbAg4I5), erstmals mit atomarer Auflösung abbilden (Abb. 1). Bisher konnte die Oberfläche eines Ionenleiters nicht mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht werden, da für das quantenmechanische Tunneln von Elektronen aus der Mikroskopspitze die Materialien elektronenleitend sein müssen. Der Trick bestand nun darin, RbAg4I5-Proben zu verwenden, die eine geringe Konzentration an Verunreinigung (so genannte Dotierung) mit Eisenatomen enthielten. Diese Eisenatome erzeugen eine hinreichende Elektronenleitung, ohne dass die Ionenleitung dadurch beeinträchtigt wird.

Darüber hinaus haben die Forscher die Rastertunnelmikroskopie verwendet, um den Verlauf von Redoxreaktionen mit bisher unerreichter Massen-, Ladungs- und Ortsauflösung zu untersuchen. Es gelang ihnen, die Bildung einer neuen Phase (das ist ein chemisch homogener Bereich), die nur aus wenigen Atomen besteht, auf der Oberfläche eines Supraionenleiters zu stabilisieren, zu kontrollieren und sogar abzubilden. Der Abstand zwischen der Rastersonden Spitze und der Oberfläche beträgt dabei nur etwa 1 nm. Mit Hilfe des bekannten Abstands konnten die Forscher die Anzahl der Silberatome berechnen, die benötigt werden, um die Tunnellücke zu schließen. Ferner konnten sie dadurch auch Reaktionsparameter des elektrochemischen Prozesses ermitteln. Im Fall des ausgewählten Beispielsystems, des Supraionenleiters RbAg4I5, stellten sie fest, dass die elementaren Schritte der Phasenbildung im Nano- bis Mikrosekundenbereich durch die Geschwindigkeit der Bildung eines kritischen Silber-Keimes limitiert sind (Abb. 2). Das Verhalten des Systems konnten die Forscher durch die so genannte "atomistische Theorie der Nukleation" erklären. Sie sagt eine diskrete Änderung der thermodynamischen Größen vorher.

Die Arbeiten wurden finanziell durch das Deutsch-Japanische Kooperationsprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gemeinsam mit der Japanese Science and Technology Agengy (JST) unterstützt.

Originalveröffentlichung:
Atomically controlled electrochemical nucleation at superionic solid electrolyte surfaces; Ilia Valov, Ina Sapezanskaia, Alpana Nayak, Tohru Tsuruoka, Thomas Bredow, Tsuyoshi Hasegawa, Georgi Staikov, Masakazu Aono, Rainer Waser; Nature Materials (2012), DOI: 10.1038/NMAT3307
Weitere Informationen:
Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de Jülich Aachen Research Alliance JARA: www.jara.org Forschung am Institut für Elektronische Materialien (PGI-7):
www.fz-juelich.de/pgi/pgi-7/DE/
Homepage von Professor Masakazu Aono (National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan):

http://www.nims.go.jp/mana/members/personal/Aono/

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Reiner Waser, Institut für Elektronische Materialien (PGI-7), Forschungszentrum Jülich/ Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik II (IWE II), RWTH Aachen, Tel. 02461 61-5811 oder 0241 8027812, E-Mail:

r.waser@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Tel.
02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de
Das Forschungszentrum Jülich...
... betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung, stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt gleichzeitig Schlüsseltechnologien für morgen. Hierbei konzentriert sich die Forschung auf die Bereiche Gesundheit, Energie und Umwelt sowie Informationstechnologie. Einzigartige Expertise und Infrastruktur in der Physik, den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie und im Supercomputing prägen die Zusammenarbeit der Forscherinnen und Forscher. Mit rund 4 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, zu den großen Forschungszentren Europas.

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Tauchgang in einen Magneten
20.07.2017 | Paul Scherrer Institut (PSI)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Im Focus: Das Proton präzise gewogen

Wie schwer ist ein Proton? Auf dem Weg zur möglichst exakten Kenntnis dieser fundamentalen Konstanten ist jetzt Wissenschaftlern aus Deutschland und Japan ein wichtiger Schritt gelungen. Mit Präzisionsmessungen an einem einzelnen Proton konnten sie nicht nur die Genauigkeit um einen Faktor drei verbessern, sondern auch den bisherigen Wert korrigieren.

Die Masse eines einzelnen Protons noch genauer zu bestimmen – das machen die Physiker um Klaus Blaum und Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

Technologietag der Fraunhofer-Allianz Big Data: Know-how für die Industrie 4.0

18.07.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - September 2017

17.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

1,4 Millionen Euro für Forschungsprojekte im Industrie 4.0-Kontext

20.07.2017 | Förderungen Preise

Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen

20.07.2017 | Physik Astronomie

Bildgebung von entstehendem Narbengewebe

20.07.2017 | Biowissenschaften Chemie