Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gehaltvolle Einsichten in die Nanowelt

26.03.2004


Jülicher Wissenschaftler messen Sauerstoffgehalte in der mikroskopischen Welt der Atome

Nobody is perfect! Das gilt nicht nur für Menschen, sondern auch für viele Materialien. So bilden etwa Perowskite sie spielen in der modernen Elektronik eine wichtige Rolle in der Praxis niemals die perfekt geordneten Kristalle, die man für ihre Anwendung benötigt. Vielmehr "schleichen" sich stets verschiedenste Defekte ein, die wichtige Eigenschaften des Materials beeinflussen. Auf dem Weg zu neuen Bauelementen ist das Defektproblem eines der entscheidenden Hindernisse. In den Perowskiten weicht dabei insbesondere der Sauerstoffgehalt lokal von der idealen Zusammensetzung ab. Mit einem speziellen hochauflösenden Elektronenmikroskop können Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich diesen Sauerstoffgehalt jetzt erstmals mit atomarer Auflösung messen und so Defekte quantitativ analysieren. Damit wird es in Zukunft möglich sein, nicht nur die Eigenschaften dieser Defekte zu verstehen, sondern sie auch durch geeignete Fabrikationsmethoden weitgehend zu vermeiden. Dies eröffnet den Weg zu neuen elektronischen Speichern und noch kleineren mikroelektronischen Bauelementen. Die Ergebnisse der Jülicher Wissenschaftler sind in der neuen Ausgabe der renommierten Zeitschrift "Science" veröffentlicht (Science, 26. März 2004).

Keramische Materialien auf der Basis von Oxiden mit Perowskitstruktur zu ihnen gehören Barium- oder Strontiumtitanat spielen eine große Rolle in der modernen Elektronik. Als Chip in Telefon- oder Geldkarten finden sie heute bereits breite Anwendung. Perowskite sind auch das Basismaterial für Hochtemperatursupraleiter und werden zukünftig zunehmend in der Mikroelektronik benötigt. Dort werden sie in dünnsten Schichten von nur einigen zehn bis einigen hundert Atomlagen eingesetzt. Eines der wichtigsten Probleme auf dem Weg dorthin ist die korrekte Einstellung des Sauerstoffgehaltes dieser Oxide, der dann über die große Zahl von Prozessschritten bei der Bauelementherstellung beibehalten werden muss. Dabei sind die Anforderungen hoch: Schon das Fehlen weniger Sauerstoffatome in den elektrisch aktiven Zonen der dünnen Schichten kann deren Funktion deutlich beeinträchtigen.

"Wie viel ,wenige’ Sauerstoffatome sind, können wir jetzt erstmals messen", erläutert Prof. Knut Urban vom Jülicher Institut für Festkörperforschung (IFF). "Dabei registrieren wir mit unserem Transmissions-Elektronenmikroskop nicht etwa den Sauerstoff-Durchschnittsgehalt der gesamten Probe, wie man das bislang getan hat. Wir können Bereiche mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines Atoms anschauen wir messen also mit atomarer Auflösung." Als Beispiel haben die Wissenschaftler eine häufig vorkommende Art von Defekt in einem dünnen Film aus Bariumtitanat (BaTiO3) untersucht. Dabei liegt in der dünnen Probe nicht nur eine Kristallorientierung vor, sondern mehrere. In eine vorherrschende Orientierung sind winzige, nanometerkleine Bereiche mit zwei weiteren Orientierungen eingebettet, die an so genannten Korngrenzen aufeinandertreffen. Da die untersuchte Probe lediglich drei Nanometer, also drei millionstel Millimeter, dünn ist, liegen auf einem Punkt nur etwa zehn Plätze für Sauerstoffatome säulenartig übereinander. Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass an den Korngrenzen ein Drittel dieser Plätze leer ist, das heißt in jeder Säule fehlen etwa drei bis vier Sauerstoffatome. "Unsere Ergebnisse werden exzellent bestätigt durch strukturchemische Untersuchungen anderer Arbeitsgruppen", berichtet Dr. Chun Lin Jia, ebenfalls Autor des jetzt veröffentlichten Science-Artikels. "Diese haben aus ihren Messungen indirekt auf das Fehlen von einem Drittel der Sauerstoffatome geschlossen."

Für ihre Messungen haben die Wissenschaftler zusammen mit Kollegen vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg und von der Technischen Universität Darmstadt ein spezielles Elektronenmikroskop entwickelt, mit dem sie erstmals Sauerstoffatome direkt sichtbar machen konnten (Jia, Lentzen, Urban, Science, Vol. 299, S. 870, 7. Februar 2003). In der aktuellen Science-Veröffentlichung sind die Wissenschaftler einen wichtigen Schritt weitergekommen. "Im ersten Schritt haben wir mit unserem Mikroskop Bilder von Sauerstoffatomen in Perowskiten erhalten. Sie verraten uns die chemische Struktur des Materials", erläutert Knut Urban. "Wir haben über ein Jahr daran gearbeitet, um den quantenphysikalischen Hintergrund dieser Bilder genau zu verstehen. Das Resultat ist, dass wir jetzt die Sauerstoffatome nicht nur sehen, sondern auch ihren Gehalt die chemische Konzentration messen können." Für die Zukunft haben die Jülicher Wissenschaftler damit einen vielversprechenden Weg aufgezeigt, um die Eigenschaften von Perowskiten zu kontrollieren. Denn: Sie können mit atomarer Auflösung Defekte analysieren, die aus bestimmten Präparationsbedingungen resultieren und diese Defekte mit den beobachtbaren Eigenschaften der Perowskite korrelieren. So können sie nachvollziehen, wie solche Defekte die Material-Eigenschaften beeinflussen und letztendlich Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen.


Elektronenmikroskopische Aufnahme von Bariumtitanat (BaTiO3). Jeder helle Punkt ist ein Atom bzw. eine Atomsäule. Die Korngrenzen, an denen Bereiche unterschiedlicher Kristallorientierungen aufeinander treffen, sind sichtbar. Der Pfeil markiert eine Säule von Sauerstoffatomen an einer dieser Grenzen. Hier bleibt ein Drittel der Plätze leer.

Foto: Forschungszentrum Jülich



Pressekontakt:


Dr. Renée Dillinger, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich,
52425 Jülich
Tel. 02461 61-4771, Fax 02461 61-4666, E-Mail: r.dillinger@fz-juelich.de


Mechthild Hexamer, Leiterin Öffentlichkeitsarbeit, Pressesprecherin
Tel. 02461 61-4661, Fax 02461 61-4666, E-Mail: m.hexamer@fz-juelich.de

Dr. Renée Dillinger | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de/portal/index.php?index=281&cmd=show&mid=194

Weitere Berichte zu: Perowskit Sauerstoffatom Sauerstoffgehalt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten
19.02.2020 | Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung

nachricht Freiburger Forscher untersucht Ursprünge der Beschaffenheit von Oberflächen
17.02.2020 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits: Gewinn für die Informationsverarbeitung

Wissenschaftler der Universität Paderborn und der TU Dortmund veröffentlichen Ergebnisse in Nature Communications

Computer speichern Informationen in Form eines Binärcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe...

Im Focus: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

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

Globale Datenbank für Karstquellenabflüsse

21.02.2020 | Geowissenschaften

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

21.02.2020 | Architektur Bauwesen

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