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Elektrochemie auf atomarer Ebene

Forscher aus Jülich, Aachen und Japan beobachten die Bildung neuer Phasen auf der Oberfläche eines Supraionenleiters

Jülich, 29. April 2012. 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

FestelektrolytoberflächeAbb. 1 Rastersondenmikroskopische Abbildung einer unbehandelten Festelektrolytoberfläche (a) und nach Bildung des elektrochemisch formierten Silberkeimes (b). In den Abbildungen c und d ist die atomar aufgelöste Struktur des Festelektrolyten gezeigt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich/RWTH Aachen/NIMS

ECM-SpeicherzelleAbb. 2 Schematische Darstellung der Funktion einer modellhaften ECM-Speicherzelle auf der Nanometer-Skala. (1) Zwischen der Spitze des Rastertunnelmikroskops (oben) und dem Festelektrolyten (unten) wird eine Spannung angelegt. (2) Aus dem Elektrolyten wächst ein kleiner metallischer Keim, bestehend aus wenigen Atomen. (3) Die Tunnellücke wird durch das Filament kurzgeschlossen und der Widerstand wird sprunghaft gesenkt. (4) Das Filament wächst weiter, wodurch der Widerstand weiter sinkt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich/RWTH Aachen/NIMS

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. Rainer 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


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