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Bindungsverhältnisse bestimmen Wärmeleitfähigkeit

Jülicher und Aachener Forscher untersuchen phasenwechselnde Materialien

Jülich / Aachen, 3. Mai 2011 – Optische Datenträger wie DVDs, Blu-rays oder CD-RWs speichern Daten in Schichten aus sogenannten Phasenwechselmaterialien. Zukünftig sollen diese Materialien die Entwicklung schneller, nichtflüchtiger und energiesparender Arbeitsspeicher ermöglichen. Eine Voraussetzung dafür ist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Phasenwechselnde Materialien zeigen auch im kristallinen Zustand eine überraschend niedrige Wärmeleitfähigkeit. Dies beschreibt ein internationales Forscherteam unter Beteiligung Jülicher und Aachener Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Advanced Functional Materials" (DOI: 10.1002/adfm.201002274). Ihre Erkenntnisse sollen die gezielte Suche nach Materialien mit den gewünschten Eigenschaften vereinfachen.

Phasenwechselmaterialien gehören zu den Favoriten für die Entwicklung eines "Universalspeichers", der schnell ist wie ein DRAM (Dynamisches RAM), eine hohe Speicherdichte besitzt, stets einsatzbereit ist und seine Daten auch beim versehentlichen Abschalten nicht verliert. Daten sollen dabei in kleinsten Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gespeichert werden, die durch Erhitzen mit Hilfe von Strompulsen eingeschrieben werden. Dabei ändern sich die atomare Ordnung des Materials und seine elektrische Leitfähigkeit.

Bei Wärmezufuhr schalten phasenwechselnde Materialien von ungeordnet (amorph) in geordnet (kristallin) um und umgekehrt, wobei sich die physikalischen Eigenschaften ändern. Dies macht sich die Industrie schon seit Jahren bei optischen Datenträgern wie DVDs, Blu-rays oder CD-RWs zunutze. Per Laser werden dabei die atomare Struktur und damit die optischen Eigenschaften in kleinsten Bereichen der Scheiben verändert. Dadurch werden die Bits eingeschrieben, die ebenfalls per Laser wieder ausgelesen werden können.

"Um energiesparende und dicht gepackte elektronische Datenspeicher zu verwirklichen, ist es wichtig, dass sich beim Einschreiben der Daten die elektrische Leitfähigkeit deutlich verändert, die Energie aber möglichst lokalisiert bleibt", erläutert Dr. Raphaël Hermann vom Jülich Centre for Neutron Science und Gastprofessor an der Universität Lüttich. "Phasenwechselnde Materialien eignen sich sehr gut, weil sie Wärme nicht nur im ungeordneten, sondern auch im kristallinen Zustand schlecht leiten, anders als etwa Halbleiter", ergänzt Prof. Matthias Wuttig von der RWTH Aachen. Hermann und Wuttig untersuchten als Teil eines internationalen Forscherteams die Ursachen für dieses für Physiker überraschende Materialverhalten an Legierungen aus Germanium, Antimon und Tellur. Mit Hilfe von aufwendigen Streuuntersuchungen an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble zeigten sie, dass die Bindungsverhältnisse zwischen den Atomen im kristallinen Zustand sowie Abweichungen von der perfekten Gitterstruktur die Weiterleitung von Schwingungen durch das Material beeinflussen und damit die Wärmeleitfähigkeit vermindern.

"Ausgangspunkt unserer Untersuchungen war die Feststellung unserer japanischen Kollegen, dass das amorphe Material härter ist als das kristalline", erläutert Hermann. "Das widersprach allen Annahmen, aber die gemessenen stärkeren Bindungskräfte zwischen den Atomen im amorphen Zustand passten dazu." Der Jülicher untersuchte, wie die Atome in den Proben schwingen, zum einen lokal im Bereich der Atome, zum anderen über längere Reichweiten. "Im kristallinen Material fanden wir härtere Schwingungen für lange Reichweiten und bessere Leitfähigkeit für Schall als im amorphen. Das ist normal und hängt mit einer Zunahme der Ordnung zusammen. Aber bei den Schwingungen mit kurzer Reichweite im Kristall erlebten wir eine Überraschung: Sie waren weicher. Die Nahordnung im kristallinen Material ist also geringer als im amorphen. Das ist sehr ungewöhnlich."

Auf Basis aller Messergebnisse entwickelten die Aachener Forscher um Wuttig ein Modell, das die scheinbaren Widersprüche erklärt: "Normalerweise korreliert die Ausbreitung von Schallwellen im Material mit der Wärmeleitfähigkeit. Bei den phasenwechselnden Materialien ist das aber nicht der Fall. Das liegt daran, dass die Atome im kristallinen Zustand resonant gebunden sind, also Atompaare sich Bindungen teilen. Hingegen binden die Atome im amorphen Material kovalent, also stärker. Also ist das kristalline Material weicher und die Atome schwingen sanfter. Zusätzlich gibt es mehr Unordnung im lokalen Bereich. Beides beeinträchtigt die Leitfähigkeit für die Schwingungen, die die Wärme transportieren und teilweise kurzwellig sind aber nicht für die langwelligen Schallwellen." Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Erkenntnisse die gezielte Suche nach Materialien mit den gewünschten Eigenschaften vereinfachen wird.

Abbildung PhasenwechselmaterialienPhasenwechselmaterialien ändern ihre optischen und elektrischen Eigenschaften innerhalb von Nanosekunden reversibel, wenn man sie durch Licht oder elektrischen Strom erwärmt. Dies führt zu einem Wechsel des atomaren Bindungsmechanismus von einer rein kovalenten Bindung in der amorphen zu einer resonant kovalenten Bindung in der kristallinen Phase. Die Abbildung zeigt das ungewöhnlich flache, d.h. weiche atomare Wechselwirkungspotential und die längeren Bindungen der kristallinen Phase im Vergleich zur amorphen Phase.
Copyright: JARA

Originalveröffentlichung:

Phase change materials: Vibrational softening upon crystallization and its impact on thermal properties; Matsunaga et al; Advanced Funtional Materials;
DOI: 10.1002/adfm.201002274

Weitere Informationen:

JARA - Jülich Aachen Research Alliance

Forschungszentrum Jülich Startseite

Forschung am Institut Streumethoden (PGI-4/JCNS-2)

Zur Nachwuchsgruppe von Raphaël Hermann

Professor Dr. Matthias Wuttig, RWTH Aachen

Ansprechpartner:

Dr. Raphaël Hermann, Jülich Centre for Neutron Science JCNS
Tel. 02461 61-4786
E-Mail: r.hermann@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science JCNS / Peter Grünberg Institut
Tel. 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Die Jülich Aachen Research Alliance, kurz JARA, ist ein deutschlandweit einzigartiges Kooperationsmodell der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich. Sie überwindet das Nebeneinander von universitärer und außeruniversitärer Forschung und Lehre, um komplexen Fragestellungen mit vereinter Forschungskompetenz und –kapazität zu begegnen. Die RWTH Aachen und das Forschungszentrum Jülich verknüpfen in JARA gezielt Forschungsfelder, auf denen sich ihre jeweiligen spezifischen Stärken wirkungsvoll ergänzen, und schaffen unter dem Motto "Kompetenzen bündeln, gemeinsam Forschen, Zukunft gestalten" ein wissenschaftliches Umfeld der Spitzenklasse.


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