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Auch im Nanobereich: minimale Defekte bringen maximale Funktionalität

Die Kontrolle über die Defekte an den sehr kleinen Grenzflächen in Nanokompositen zu bekommen, hat entscheidende Bedeutung für die individuelle Anpassung der gewünschten Eigenschaften. Die Wissenschaftler verschafften sich unter Anwendung eines neuartigen Verfahrens Einblicke in mögliche Lösungen für eine wichtige Klasse von Materialien.
Auch im Nanobereich: minimale Defekte bringen maximale Funktionalität
Kompositwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehreren einzelnen Materialien, bei denen die Grenzflächen beibehalten werden. Sie bilden die Grundlage für unzählige Komponenten und Bauelemente. Mit dem Einzug der Nanotechnologie können derartige Kompositstrukturen nun im Nanobereich ausgebildet werden, wobei man sich hier in der Größenordnung einzelner Moleküle bewegt.

Überaus wichtig für die Entwicklung neuartiger Materialsysteme mit verbesserten Funktionalitäten ist eine Charakterisierung der Grenzflächeneigenschaften der Kompositwerkstoffe. Wissenschaftler riefen deshalb das EU-finanzierte EPREXINA-Projekt ("Electron paramagnetic resonance as a probe for extended interfaces in nanomaterials") ins Leben, um den Einsatz spektroskopischer Analysen zu erkunden.

Zur Untersuchung paramagnetischer Systeme mit ungepaarten Elektronen setzt man die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie ein und weist damit freie Radikale, Übergangsmetallionen und Materialdefekte nach. Die Forscher entschieden sich für Bariumtitanat (BaTiO3), das erste erforschte ferroelektrische Oxid. Es ist gleichermaßen das am häufigsten verwendete ferromagnetische Material, das etwa in Computerspeichern, Sensoren und Infrarotdetektoren zum Einsatz kommt.

Die Forscher führten mittels Elektronenspinresonanz erstmals eine detaillierte Analyse geladener Defekte bei BaTiO3-Pulvern, Keramiken, Einkristallen, Kompositwerkstoffen, dünnen Schichten und Mehrfachschichten aus. Die Zusammenstellung der Daten erlaubte viele, bereits veröffentlichte Schlussfolgerungen im Zusammenhang mit der Natur der geladenen Defekte und deren Position in den verschiedenen Materialien.

Die Elektronenspinresonanz ergab eine hohe Konzentration geladener Defekte an der Oberfläche von Nanopulvern sowie an den Grenzflächen in Kompositen und zeigte eine direkte Verbindung mit den dielektrischen Eigenschaften auf. Die Wissenschaftler konnten durch Modifikationen auf Grundlage der vorhergehenden Ergebnisse die dielektrischen Eigenschaften beträchtlich verbessern und die dielektrischen Verluste senken. Letztlich stellten die Forschenden ein optimales Material für ausgewählte Anwendungen her, was die Effektivität der Elektronenspinresonanz zur Lenkung der Materialentwicklung hervorhob.

EPREXINA führte erste detaillierte Untersuchungen des Einflusses von geladenen Defekten an Ober- und Grenzflächen auf die Eigenschaften von Nanomaterialien durch. Hier ebnet man den Weg zur Entwicklung neuartiger maßgeschneiderter Materialsysteme mit im Vergleich zu konventionellen Pendants radikal besser ausfallenden Eigenschaften, die für viele Anwendungen geeignet sind. Von dem Verfahren verspricht man sich einen starken Einfluss auf zukünftige Gerätefunktionalitäten.

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