Aufbruch in die Nano-Ionik - Fundamentaler Nanoeffekt bei Ionenleitern entdeckt

22.12.2000

Ionenleitung ist ein Phänomen, bei dem nicht Elektronen, sondern Ionen für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Wissenschaftler des Stuttgarter Max-Planck-Institutes für Festkörperforschung berichten in der Ausgabe vom 21./28. Dezember 2000 der britischen Fachzeitschrift "nature" über die erstmalige Beobachtung eines bereits 1987 vorausgesagten Nanogrößen-Effekts bei Ionenleitern. In einem "künstlichen Festkörper", hergestellt aus vielen dünnen Schichten von zwei verschiedenen Ionenleitern, konnten die Stuttgarter Forscher einen anomalen Anstieg der Ionenleitung beobachten. Dieses Phänomen trat - ähnlich wie in der Nanoelektronik - erst dann auf, als die Dicke der Ionenleiter weniger als 50 Nanometer betrug. Die Wissenschaftler vermuten, dass beim weiteren Studium dieser Dünnschichtsysteme noch andere, bisher unbekannte Nano-Phänomene entdeckt werden. Der erste jetzt nachgewiesene Nanogrößen-Effekt hat Bedeutung nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Entwicklung leistungsfähiger Festkörperbatterien, Brennstoffzellen, chemischer Sensoren, chemischer Pumpen, chemischer Filter oder keramischer Reaktoren.

Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung hatten viele nur wenige Nanometer dünne Schichten aus Bariumfluorid und Calciumfluorid abwechselnd aufeinander aufgebracht und so einen "künstlichen Festkörper" erzeugt, in dem sich die beweglichen Fluorid-Ionen umverteilen. Für die Herstellung der dünnen Schichten benutzten die Forscher die so genannte Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), deren Grundlagen Anfang der siebziger Jahre von A. Cho in den Bell Laboratories in den USA entwickelt wurden. Bei dieser Methode werden die Ausgangsstoffe für das Wachstum der Schichten durch spezielle Verdampfungsvorrichtungen als gerichtete Molekülstrahlen im Vakuum auf ein Substrat aufgebracht, dort gebunden und in eine Kristalllage eingebaut. Typische Wachstumsraten für die Kristalle liegen im Bereich von einer Atomlage pro Sekunde. Das Schichtwachstum kann so Atomlage für Atomlage genau kontrolliert werden.

Der so erzeugte "künstliche Festkörper" aus zwei verschiedenen Ionenleitern zeigt ein anderes physikalisches und chemisches Verhalten als jede seiner Schichten für sich genommen. Bei Schichtdocken unterhalb von 50 Nanometern verloren die einzelnen Schichten aus Bariumfluorid und Calciumfluorid ihre Individualität und verhielten sich wie ein einziger Festkörper. Aus den nanostrukturierten Schichten war ein "künstliches" Ionen leitendes Material mit einer erheblich höheren Leitfähigkeit als die der einzelnen Schichten entstanden.

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