Bindungsverhältnisse bestimmen Wärmeleitfähigkeit

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Eine Voraussetzung dafür ist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Phasenwechselnde Materialien zeigen auch im kristallinen Zustand eine überraschend niedrige Wärmeleitfähigkeit. 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 Doktor 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 Professor 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.

COMPAMED.de; Quelle: Jülich Aachen Research Alliance