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 Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung
13.07.2018 | Fachhochschule Südwestfalen

nachricht 3D-Druck: Stützstrukturen verhindern Schwingungen bei der Nachbearbeitung dünnwandiger Bauteile
12.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Im Focus: Magnetic vortices: Two independent magnetic skyrmion phases discovered in a single material

For the first time a team of researchers have discovered two different phases of magnetic skyrmions in a single material. Physicists of the Technical Universities of Munich and Dresden and the University of Cologne can now better study and understand the properties of these magnetic structures, which are important for both basic research and applications.

Whirlpools are an everyday experience in a bath tub: When the water is drained a circular vortex is formed. Typically, such whirls are rather stable. Similar...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

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

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinelles Lernen: Neue Methode ermöglicht genaue Extrapolation

13.07.2018 | Informationstechnologie

Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung

13.07.2018 | Materialwissenschaften

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