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 Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik