Metalloxide: Vom Rost zum High-Tech-Werkstoff

Transkript

1 Physik am Samstag, Metalloxide: Vom Rost zum High-Tech-Werkstoff ep4 Universität Ralph Claessen Experimentelle Physik IV Physikalisches Institut Universität

2 Warum Metalloxide? Elementhäufigkeit auf und in der Erde (Massenanteil): Eisen (Fe) 35% Sauerstoff (O) 30% Silizium (Si) 15% Magnesium 13% Nickel (Ni) ~3%

3 Warum Metalloxide? Oxide haben andere, teilweise neuartige Materialeigenschaften! mechanisch: Gegenstand aktueller Forschung spröde, mit zahlreichen hart Anwendungen: elektrisch: Mikroelektronik isolierend, Speicherelemente polarisierbar, leitend, Sensorik supraleitend Medizintechnik magnetisch: verlustfreier Stromtransport ferromagnetisch, antiferromagnetisch, Biomagnetismus schaltbare Magnete trifft auf Sauerstoff Metall

4 Drum prüfe, was sich ionisch bindet: Chemische Grundlagen

5 Übergangsmetalle und ihre Oxide Periodensystem der Elemente

6 Übergangsmetalle und ihre Oxide äußere "s"- Elektronen Atomkern innere "d"- Elektronen Ein Übergangsmetall-Atom

7 Übergangsmetalle und ihre Oxide Atome und Elektronen im Festkörper: Übergangsmetall Delokalisierte s-elektronen als elastischer "Klebstoff"

8 Übergangsmetalle und ihre Oxide Atome und Elektronen im Festkörper: Übergangsmetall Delokalisierte s-elektronen als elastischer "Klebstoff"

9 Übergangsmetalle und ihre Oxide Atome und Elektronen im Festkörper: Übergangsmetall-Oxid Me v+ -Ion O 2- -Ion Übergangsmetall-Atom Sauerstoff-Atom Ionische Bindung

10 Übergangsmetalle und ihre Oxide Atome und Elektronen im Festkörper: Übergangsmetall-Oxid oktaedrische Koordination des Metallions durch die O 2- -Liganden Ionische Bindung kubische Perowskite Perowskit-ähnlich Anatas Rutil Spinell

11 Ganz schön geladen: Di-, Piezo- und Ferroelektrika

12 Verschiebbarkeit der ionischen Ladungen Oxid im Kondensator

13 Verschiebbarkeit der ionischen Ladungen Oxid im Kondensator = Dielektrikum Spannung U im Kondensator gespeicherte Ladung: Q = C U mit der Kapazität C = κ Fläche Abstand Dielektrizitätskonstante

14 Oxide als Dielektrika Feldeffekt-Transistor (FET) in einem Computer-Chip

15 Oxide als Dielektrika Feldeffekt-Transistor (FET) in einem Computer-Chip κ ( SiO 2 ) = 3.7

16 Oxide als Dielektrika Feldeffekt-Transistor (FET) in einem Computer-Chip Intel κ ( Oxid ) 25 verwendete Oxide: Ta 2 O 5 BaTiO 3 LaAlO3 Hf-Si-O-N (amorph)

17 Der piezoelektrische Effekt Mechanische Verformung Elektrische Spannung

18 Der piezoelektrische Effekt Elektrische Spannung Mechanische Verformung

19 Der piezoelektrische Effekt Anwendung in der Ultraschalldiagnostik Ultraschall-Messköpfe Messprinzip:

20 Ferroelektrizität Spontane elektrische Polarisation unterhalb einer charakteristischen Temperatur Beispiel: Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bistabiler Zustand

21 Ferroelektrizität Spontane elektrische Polarisation unterhalb einer charakteristischen Temperatur Beispiel: Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bistabiler Zustand

22 Ferroelektrizität Speicherchips: Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM) Hitachi

23 Ordnung aus dem Chaos: Magnetismus in Oxiden N S

24 Magnetismus in Oxiden Metallion N S Spin der kernnahen d-elektronen = lokaler Elementarmagnet

25 Magnetismus in Oxiden Ungeordnete magnetische Momente: Paramagnet

26 Magnetismus in Oxiden Geordnete Momente: Ferromagnet

27 Magnetismus in Oxiden Geordnete Momente: Antiferromagnet

28 Magnetismus in Oxiden Beispiel für ein magnetisches Oxid: Fe 3 O 4 ("Magnetit") Ferrimagnet Magnetit: ein häufig vorkommendes Mineral

29 Magnetismus in Oxiden Beispiel für ein magnetisches Oxid: Fe 3 O 4 ("Magnetit") Ferrimagnet frühe Anwendung als Kompass Magnetit: ein häufig vorkommendes Mineral

30 Magnetismus in Oxiden Magnetit (Fe 3 O 4 ) im Biomagnetismus Magnetsinn von Brieftauben durch Magnetit-Partikel im Schnabel

31 Magnetismus in Oxiden Magnetit (Fe 3 O 4 ) im Biomagnetismus Erdmagnetfeld 0,001 mm Schlammzone des Chiemsees Magnetobacterium bavarica

32 Magnetismus in Oxiden Anwendungen in der Spin-Elektronik Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 Spin-Transistor

33 Oxide mit Persönlichkeitsspaltung: Elektrisch leitend oder isolierend? Isolator Metall

34 Elektrische Leitfähigkeit von Oxiden Delokalisation und elektrische Leitung - +

35 Elektrische Leitfähigkeit von Oxiden Lokalisation durch Abstoßung: Elektrische Isolation - +

36 Elektrische Leitfähigkeit von Oxiden Lokalisation durch Abstoßung: Elektrische Isolation - +

37 Elektrische Leitfähigkeit von Oxiden Metall-Isolator-Übergang plötzlicher Wechsel von leitendem zu isolierenden Verhalten ("Metall-Isolator-Übergang") als Funktion von: -Temperatur -Druck - Magnetfeld - chemischer Zusammensetzung Beispiel: V 2 O 3 Isolator Metall

38 Elektrische Leitfähigkeit von Oxiden Metall-Isolator-Übergang Beispiel: "Kollossaler" Magnetwiderstand in Manganaten Anwendungspotential in der Magnetosensorik (z.b. im Festplattenlesekopf) anwachsendes Magnetfeld

39 Widerstand zwecklos: Supraleitung in Oxiden

40 Supraleitung in Oxiden "Konventionelle" Supraleitung Ursache: Quecksilber Elektrischer Widerstand Widerstand verschwindet unterhalb von -269 C! Kristallgitter "Matratzenmodell" als Paare lassen sich Elektronen viel schwerer vom Weg abbringen Temperatur

41 Supraleitung in Oxiden "Konventionelle" Supraleitung Ursache: Quecksilber Elektrischer Widerstand Widerstand verschwindet unterhalb von -269 C! Kristallgitter "Matratzenmodell" als Paare lassen sich Elektronen viel schwerer vom Weg abbringen Temperatur

42 Supraleitung in Oxiden "Konventionelle" Kritische Temperatur Supraleitung bis C

43 Supraleitung in Oxiden "Konventionelle" 1986: Der Durchbruch Supraleitung -130 C -250 C (La,Ba) 2 CuO 4

44 Supraleitung in Oxiden Supraleitender Mechanismus??? "Matratzenmodell" (Theorie von Bardeen, Cooper und Schrieffer) Zusammenhang mit lokalem Magnetismus?

45 Supraleitung in Oxiden Anwendungen z.b. verlustfreie Starkstromkabel (versch. Demonstrationsprojekte in USA und Japan) Detroit Edison

46 Supraleitung in Oxiden Oxidische Supraleiter als (fast) perfekte Diamagnete Meissner-Ochsenfeld-Effekt

47 Supraleitung in Oxiden Oxidische Supraleiter als (fast) perfekte Diamagnete Meissner-Ochsenfeld-Effekt Festhalten ("pinning") der magnetischen Feldlinien

48 Supraleitung in Oxiden Oxidische Supraleiter als (fast) perfekte Diamagnete Die supraleitende Schwebebahn "Supratrans" (IFW Dresden)

49 Bayerische Forschungsaktivitäten Verbundprojekt der bayerischen Forschungsstiftung (seit 03/2006): "Multiskalendesign oxidischer Funktionsmaterialien" Universität Augsburg Universität Bayreuth Universität Fraunhofer-Institut für Silikatforschung (ISC), + 8 Industriefirmen

50 Physik am Samstag, : Eine Geschichte mit Zukunft Oxide: Dank an: Peter Freibott Götz Berner Volker Latussek und an Sie für Ihre Aufmerksamkeit

51 Preisrätsel Der Hauptgewinn: Das "Levitron", ein schwebender Magnetkreisel (für alle, die keinen flüssigen Stickstoff im Kühlschrank haben )