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 Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Magnetische Kontrolle per Handzeichen: Team entwickelt elektronische „Haut“ für virtuelle Realität
22.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungen

Transferkonferenz Digitalisierung und Innovation

22.01.2018 | Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Forschungsteam schafft neue Möglichkeiten für Medizin und Materialwissenschaft

22.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Ein Haus mit zwei Gesichtern

22.01.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics