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Empa-Forscher untersucht „unmögliche“ Oxid-Legierungen Chemische Zwangsheirat

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

„Drum prüfe, was sich ewig bindet.“ Doch selbst wenn vieles gegen die Verbindung spricht: Dr. Sebastian Siol von der Empa bringt sogar zusammen, was eigentlich nicht zusammenpasst. Er forscht an Legierungen aus schwer zu vereinbarenden Ausgangsstoffen. Durch „Zwangsheirat“ der Partner schafft er Materialien mit ganz neuen Eigenschaften – immer darauf bedacht, dass die Kristallbeziehungen möglichst lange halten.

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Dr. Sebastian Siol und seine Kollegin Dr. Claudia Cancellieri forschen an Heterostruktur-Legierungen aus Mischoxiden.
Dr. Sebastian Siol und seine Kollegin Dr. Claudia Cancellieri forschen an Heterostruktur-Legierungen aus Mischoxiden.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Unter einer Legierung versteht man üblicherweise eine Mischung aus mehreren Metallen. Aber auch andere Materialien lassen sich legieren. In der Halbleiterindustrie werden etwa Oxid- und Nitrid-Legierungen seit langem erfolgreich eingesetzt, um Materialeigenschaften gezielt zu verändern.

Zwangsehe in der Chemie

Geeignete Stoffe für eine Legierung zu finden ist ein bisschen wie den richtigen Partner für eine Ehe zu finden: Damit die Verbindung hält, müssen beide zumindest einigermaßen zueinander passen. Für die Legierung sollten die Ausgangsstoffe zum Beispiel aus Atomen mit ähnlich großen Radien bestehen und ähnliche Kristallstrukturen haben. Meist sind die Eigenschaften der Ausgangsstoffe in der fertigen Legierung dann noch gut erkennbar.

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Anders sieht es aus, wenn man Partner zusammenbringt, die sich nicht ähneln: Mischt man Verbindungen mit Kristallstrukturen, die überhaupt nicht zusammenpassen, entstehen „Heterostruktur-Legierungen“ – Solche „Zwangsehen“ bringen Legierungen hervor, deren Struktur sich abhängig vom Mischungsverhältnis der Komponenten ändert. Dies führt bisweilen zu überraschenden Eigenschaften, die sich deutlich von denen der Ausgangsstoffe unterscheiden.

Genau solche „zwangsverheirateten“ Oxid-Legierungen interessieren den Empa-Forscher Sebastian Siol. Er forscht nach neuen Vertretern dieser Verbindungen und möchte sie für den Alltag nutzbar machen. Bei der Suche nach dem gewünschten Material muss er mehrere Aspekte zugleich im Auge behalten wie zum Beispiel die Struktur, die elektronischen Eigenschaften und die Langzeitstabilität.

„Negativer“ Druck in der Partnerschaft

Vor seiner Arbeit an der Empa hatte Siol am National Renewable Energy Research Laboratory (NREL) in Colorado an Legierungen mit „negativem Druck“ geforscht. Dazu hatte er Magnanverbindungen in eine Verbindung gezwungen, in der sich die Ausgangsstoffe bei bestimmten Mischungsverhältnissen in einem für beide Komponenten „ungemütlichen“ Kristallgitter vereinigten. Keiner der Partner konnte dem anderen seine Lieblings-Kristallstruktur aufzwingen, die er im reinen Zustand bevorzugt.

Der entstandene Kompromiss war eine neue Phase, die normalerweise nur bei „negativem Druck“ entstehen würde – also dann, wenn das Material permanent unter Zug gesetzt wird. Solche Materialien sind unter normalen Bedingungen sehr schwer herzustellen. Siol und seine Kollegen am NREL haben es aber geschafft, diese Schwierigkeit mit einem Kalt-Dampf-Verfahren (Magnetronsputtering) zu umgehen. Das neue Material zeigt viele nützliche Eigenschaften. Es ist unter anderem piezoelektrisch. Man kann also damit Strom erzeugen, Detektoren herstellen oder Halbleiterexperimente machen, die mit den Ausgangsstoffen nicht möglich wären.

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