Atome in Keramik mechanisch einprägen

„Science“-Publikation von Forschenden unter Führung der TU Darmstadt

28.05.2021 von

Elektrokeramiken wie zum Beispiel Kondensatoren sind essentielle Bestandteile von elektronischen Geräten. Greift man in ihren kristallinen Aufbau ein, können Eigenschaften gezielt verändert werden. So lassen sich zum Beispiel durch chemische Methoden einzelne Atome im Kristallgitter durch andere ersetzen. Ersetzt man nicht nur ein Atom, sondern eine ganze Reihe, entsteht eine stabile Form. Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt ist es nun erstmals gelungen, eine Versetzung planvoll in eine ferroelektrische Keramik einzufügen, indem es die Atome in das Material mechanisch einprägte – ein Vorgehen, das bisher nur bei Metallen zur Anwendung kam. Die Ergebnisse wurden im renommierten „Science“-Journal veröffentlicht.

Marion Höfling begutachtet einen Einkristall nach erfolgreicher mechanischer Deformation.

Der Weltmarkt an Elektrokeramiken beträgt jährlich etwa 25 Milliarden Euro. Diese sehr kleinen Bauteile entgehen oft der täglichen Wahrnehmung. Allein in einem Smartphone befinden sich 600 Kondensatoren, von denen insgesamt jährlich drei Billionen, also 3000 Milliarden, hergestellt werden. Die Funktionsweise von vielen Elektrokeramiken basiert nicht auf Stromfluss durch das Material, sondern auf kleinen Ladungsverschiebungen, Polarisation genannt, über Bruchteile eines atomaren Durchmessers. Etwa ein Viertel der weltweit hergestellten Elektrokeramiken verknüpft diese Polarisation mit einer Verlängerung des Materials, die wiederum auf eine Genauigkeit eines atomaren Durchmessers eingestellt werden kann. Erst damit können die immer kleiner werdenden Computerbauteile und Mikroroboter strukturiert werden.

Atomare Reihen im Atom austauschen

Wie die gelben Fußballfans im Kino, so können auch modifizierte Atompositionen in der kristallinen Struktur nicht nur das äußere Erscheinungsbild verändern (rechte Seite Kinoleinwand), sondern auch die Eigenschaften des ferroelektrischen Einkristalls beeinflussen. Diese Modifikation wird in einem speziellen Verfahren bei hoher Temperatur und Druck eingebracht (linke Seite der Kinoleinwand).

Die Eigenschaften der Elektrokeramiken lassen sich verbessern, indem man mit chemischen Eingriffen einzelne Atome im regelmäßig geformten Kristallgitter durch andere ersetzt (dotiert), so als würde man in einen Kinosaal voller Fans des FC Bayern München mit roten Trikots einen Fan von Borussia Dortmund mit schwarz-gelbem Trikot setzen. Bei besonderen Anforderungen wie etwa erhöhter Temperatur oder elektrischer Spannung verliert allerdings das dotierte Atom seinen Platz – der Fan würde herumgestoßen – und die Funktion der Keramik leidet drastisch.

Der Einbau einzelner Atome in ein Keramik-Kristallgitter ist für komplexe Anforderungen nicht stabil genug, der Einbau ganzer atomarer Reihen (Versetzung) ist jedoch robust. Im Fußball-Beispiel entspräche das einer Kinoreihe von Fans der Borussia zwischen den Fans der Bayern. Für die Erforschung dieser Versetzungen kooperieren Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus drei Arbeitsgruppen der TU Darmstadt mit Forschungsgruppen aus der Schweiz, den Niederlanden und der USA.

Neue Atome, neue Eigenschaften

„Für planvolle Versetzungen reichen chemische Methoden nicht mehr aus“, sagt Professor Jürgen Rödel, Leiter des Fachgebiets für Nichtmetallisch-Anorganische Werkstoffe der TU Darmstadt. Den Forschenden gelang die Versetzung stattdessen mechanisch: Sie nutzen ein Verfahren, bei dem die Keramiken unter kontrollierten Druck- und Temperaturverhältnissen mechanisch verformt werden und sich die Versetzung in die Keramik einprägen lässt. Ein solches Vorgehen ist bei Metallen trivial, schien bisher aber bei Keramiken wegen deren großer Härte kaum denkbar. Zudem ist die keramische Oberfläche sehr spröde und kann leicht brechen. Um diese Hindernisse zu überwinden, verwandten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine mechanische Einprägung bei 1150 Grad Celsius in einen Einkristall vorher berechneter optimierter Orientierung.

Einkristall mit Domänenreflektionen in der untergehenden Sonne.

Mit dieser Methode ist nun ein wohl geordnetes Feld neu besetzter atomarer Reihen möglich. Diese Reihen kontrollieren jetzt im Material die lokale Polarisation, die Ladungsverschiebung. Da die eingeprägten Reihen die Polarisation klar begrenzen, kann diese auch nicht durch sehr hohe Betriebsanforderungen an Struktur verlieren. Im Betrieb der Elektrokeramik nehmen jetzt die durch Reihen (Versetzungen) abgegrenzten Materialbereiche bestimmte Ladungsverschiebungen ein, ganz so als würden sich die Fans der Bayern in Kinosektionen vorbeugen oder zur Seite lehnen. Da sich diese Materialbereiche bei hohen Anforderungen nicht verändern, wird keine Energie durch innere Reibung umgewandelt und das Materialverhalten bleibt stabil.

Diese Materialien erlauben es jetzt, gleich bleibende Eigenschaften auch bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Energieeinsatz zu gewährleisten. Gleichzeitig gehen die Forschenden die nötige Kostenreduktion an, um die Versetzungen durch mehrere Optionen des mechanischen Einprägens zur Verfügung stellen zu können.

Publikation

M. Höfling, X. Zhou, E. Bruder, B. Liu, L. Zhou, P.B. Groscewicz, F. Zhuz, L. Riemer, B.-X. Xu, K. Durst, D. Damjanovic, X. Tan, J. Koruza and J. Rödel (2021): „Control of polarization in bulk ferroelectrics by mechanical dislocation imprint“, Science Vol. 372, Issue 6545, pp. 961-964.

Reinhart Koselleck-Projekt

Die „Erforschung von Versetzungen in Keramiken“ wird von der DFG als ein Reinhart Koselleck-Projekt für fünf Jahre mit 1,25 Millionen Euro gefördert. Das Programm zielt auf Freiräume für besonders innovative und im positiven Sinne risikobehaftete Forschung und zeichnet so hoch renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus. Professor Jürgen Rödel warb erstmals für die TU Darmstadt eine solche DFG-Unterstützung ein. In benachbarten Feldern des Ladungstransports und der Erhöhung der Zuverlässigkeit von Keramiken (duktile Keramik) gab es bereits hochrangige Publikationen und erste Patentanmeldungen in seinem Projekt. Die Reihe internationaler Forschungspartner erhöht sich derzeit sehr schnell und bezieht auch Teams in England, China und vor allem Japan ein.