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Materialwissenschaft Nano-strukturierte Materialien – Christian Doppler-Labors eröffnet

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Zwei neue hochdotierte Christian Doppler (CD) -Labors werden am 15. Oktober 2013 an der Technischen Univesrität Wien offiziel eröffnet. Sie sollen Erkenntnisse aus der Materialwissenschaft künftig für Energieeffizienz und Sensortechnik nutzbar machen.

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Abb. 1: Thermoelektrische Materialien werden nun an der TU Wien noch genauer unter die Lupe genommen.
Abb. 1: Thermoelektrische Materialien werden nun an der TU Wien noch genauer unter die Lupe genommen.
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Nano-strukturierte Materialien erzeugen in effektiver Weise elektrische Energie aus Temperaturunterschieden und sind die Grundlage für hochsensitive Magnetsensoren. Beide Ideen kommen aus der akademischen Grundlagenforschung des Instituts für Festkörperphysik der TU Wien, beide versprechen baldige Anwendungen in der Industrie, beide werden nun an der TU Wien durch die Einrichtung neuer Christian Doppler-Labors gefördert – mit finanzieller Unterstützung des österreichischen Wirtschaftsministeriums und den Firmenpartnern TIAG, AVL und Infineon.

Thermoelektrizität: Strom aus Temperaturunterschieden

Prof. Ernst Bauer leitet gemeinsam mit Prof. Peter Rogl und Prof. Alexander Bismarck (Universität Wien) sowie Prof. Silke Bühler-Paschen (Technische Universität Wien) das Christian Doppler-Labor für Thermoelektrizität. Als Industriepartner stehen ihm die Treibacher Industrie AG (TIAG) sowie AVL List zur Seite. Ernst Bauer nützt bei seinen Forschungsarbeiten thermoelektrische Phänomene, insbesondere den sogenannten Seebeck-Effekt zur Erzeugung von elektrischer Energie: Verbindet man zwei verschiedene, elektrisch leitende Materialien so zu einem Stromkreis, dass die beiden Kontaktstellen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, dann entsteht eine elektrische Spannung und Strom kann über einen Verbraucher fließen. Verantwortlich für dieses Phänomen sind Elektronen, deren Bewegung in Metallen unter anderem von Temperaturunterschieden abhängt. Industriell interessant ist dieser Effekt überall dort, wo größere Temperaturunterschiede ohnehin vorhanden sind: Die Temperatur-Differenz zwischen der kühlen Umgebungsluft und einem heißen Automotor oder heißen Abgasen kann zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Einerseits lassen sich so etwa Sensoren mit Strom versorgen, ohne dass sie eigens dafür verkabelt werden müssten, andererseits kann so die Energieeffizienz steigen – etwa, wenn die Energie zum Betrieb der Lichtmaschine eines Autos nicht mehr ausschließlich von der mechanischen Arbeit des Motors kommt, sondern auch aus der Wärmeenergie der Abgase, die sonst ungenützt an die Umgebung abgegeben wird.

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Das Team um E. Bauer wird für diese Effekte nicht die bisher gebrauchten Standardmaterialien aus Bismut und Tellur verwenden, sondern sogenannte „gefüllte Skutterudite“. Sie sind durch verschiedene Prozessschritte hergestellte Legierungen mit einer käfigartigen Struktur aus Kobalt, Eisen und Antimon. In diesen Nano-Käfigen werden noch weitere Atome platziert, mit denen sich die physikalischen Eigenschaften des Materials speziell anpassen lassen. Die bisherigen Forschungsarbeiten des Wiener Teams haben zu einer weltweiten Spitzenstellung dieser Materialien in Bezug auf ihre thermoelektrische Leistungsfähigkeit geführt.

Magnetische Sensoren

Dieter Süß, der ebenso wie Ernst Bauer am Institut für Festkörperphysik der TU Wien forscht, entwickelt Computerprogramme, die magnetische Eigenschaften von Materialien beschreiben. Großes Aufsehen erregten bereits seine Erkenntnisse zur Festplattentechnologie, mit ähnlichen magnetischen Phänomenen wie beim Auslesen einer Festplatte wird er es auch in seinem Christian Doppler-Labor für „ Advanced Magnetic Sensing and Materials“ zu tun haben, das vom Halbleiterhersteller Infineon Technologies AG mitfinanziert wird.

Die magnetische Orientierung von Materialien kann darüber entscheiden, ob sie elektrischen Strom gut oder schlecht leiten. 2007 wurde für diesen Effekt (genannt GMR, „Giant Magnetoresistance“) der Physik-Nobelpreis vergeben. Baut man spezielle Schichtsysteme aus unterschiedlichen Materialien auf, können Elektronen nur dann gut durch die Schichten hindurchwandern, wenn die Magnetisierungsrichtungen genau richtig zueinander orientiert sind. Ist das nicht der Fall, versperren die Schichten den Elektronen den Weg – ein „Riesenmagnetowiderstand“ tritt auf.

Diesen und ähnliche Effekte wird Dieter Süß nun verwenden, um Magnetsensoren zu entwickeln, die dann etwa für Drehzahlmessgeräte in ABS-Systemen von Autos eingesetzt werden sollen. Auch viele andere Sensoren könnten auf diese Weise hergestellt werden, selbst Anwendungen im Medizin- und Biosensorik-Bereich sind angedacht.

CD-Labors, gefördert vom Österreichischen Wirtschaftsministerium

Materialwissenschaft ist einer der fünf Forschungsschwerpunkte der TU Wien. Mit den beiden neuen CD-Labors kann dieser Schwerpunkt nun in direkter Kooperation mit der Industrie weiter verstärkt werden. Das CD-Labor für Thermoelektrizität ist mit etwa 1.1 Millionen Euro dotiert, das CD-Labor für Magnetsensorik mit etwa 1.4 Millionen Euro. Beide starteten offiziell am 1. Juli 2013. Die Christian Doppler Gesellschaft fördert mit finanzieller Unterstützung des Wirtschaftsministeriums die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Wirtschaft durch die Einrichtung von Christian Doppler Labors mit festen Laufzeiten. Derzeit sind an der TU Wien dreizehn aktive Christian Doppler Labors verankert – ihren bisherigen Spitzenplatz unter Österreichs Universitäten baut die TU Wien damit noch weiter aus.

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