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Designing Novel Phonon Valve Device through Ferroic Domain Wall Engineering

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Die Steuerung der Phononen im Blick

Phononen sind die Wärmeträger in Festkörpern und könnten daher für zukünftige integrierte Technologien von zentraler Bedeutung sein. Forschende konnten endlich zeigen, dass der Transport von Phononen durch den Einsatz eines elektrischen Felds gesteuert werden kann.

Energie

Phononen sind die hauptsächlichen Wärmeträger in Festkörpern. Die Fähigkeit, sie zu steuern, eröffnet neue Möglichkeiten zu Verwaltung und Nutzung von Wärme in integrierten Systemen. Phononen können auf verschiedene Art manipuliert werden, um die überschüssige Wärme, die weltweit von vielen verschiedenen Systemen ausgestoßen wird, bestmöglich zu erschließen. „Außerdem könnte die Steuerung des Phononentransports die Grundlage für eine neue Technologie für Logikschaltungen, Geräte zur Datenspeicherung und Rechnermechanismen bilden, wobei Phononen in einem neuen Gebiet der Phononik eingesetzt werden“, so Eric Langenberg, Koordinator des EU-finanzierten Projekts PHONON-VALVE.

Manipulation von Phononen

PHONON-VALVE hatte sich vorgenommen, die Hypothese zu testen, dass der Phononentransport mittels eines elektrischen Felds reguliert werden kann, und zwar mit ferroelektrischen Materialien, die als Phononenbarrieren dienen, sogenannten Domänenwänden. Das Team wollte zeigen, dass elektrische Felder genutzt werden können, um diese Domänenwände an verschiedenen Teilen eines Materials zu positionieren und sie als Ventile zu verwenden, durch die Phononen gesteuert werden können. „Ziel des Vorschlags war es herauszufinden, ob die Domänenwände tatsächlich die Ausbreitung der Phononen verringern könnten“, fasst Langenberg zusammen. „Wenn dem so wäre, wären ferroelektrische Materialien ausgezeichnete Kandidaten für den Einsatz in neuartigen Phononengeräten.“ PHONON-VALVE begann mit dem Entwurf vieler verschiedener Muster für ferroelektrische Domänenwände im selben ferroelektrischen Material mit verschiedener Dichte. Die Forschenden züchteten mithilfe eines Verfahrens, das Strecktechnik genannt wird, dünne Filme aus ferroelektrischem Material. Anschließend maßen sie die Wärmeleitfähigkeit der dünnen ferroelektrischen Filme. Sie konnten die Auswirkungen der ferroelektrischen Domänenwände auf die Ausbreitung der Phononen feststellen. Sie fanden heraus, dass sich die Domänenwände deutlich auf die Leitfähigkeit der dünnen Filme auswirkten, weitaus mehr als auf andere Materialien.

Entwicklung phononischer Schaltkreise

Die Forschenden maßen die Wärmeleitfähigkeit der dünnen ferroelektrischen Filme, während sie ein elektrisches Feld anwendeten. Sie fanden heraus, dass die Domänenwände in den Filmen durch Elektrizität sehr formbar sind, unabhängig von der Art der Domänenwand. Die Forschenden erzielten eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um 61 %, im Vergleich zu einem Szenario mit einer einzigen Domäne. „In anderen Worten können ferroelektrische Domänenwände bei der Hemmung der Phononenübertragung ebenso effektiv sein wie andere Arten von Schnittstellen, doch der Hauptvorteil ist, dass sie durch Elektrizität beeinflusst werden können“, erläutert Langenberg. So demonstrierte die Forschungsgruppe von PHONON-VALVE, dass durch Elektrizität erstellte Domänenwände unter gewissen Bedingungen mehrere Tage lang stabil bleiben können, ein wichtiges Ergebnis für die Zukunft nichtflüchtiger phononischer Anwendungen. Diese Ergebnisse demonstrieren das Potenzial und die Eignung ferroelektrischer Materialien als aktive Barrieren zur Steuerung der Wärmeleitung in Phononengeräten. „Im nächsten Schritt bewerben wir uns um Finanzmittel, um diese neue Forschungslinie, die zum Ziel hat, die Ausbreitung von Phononen durch elektrische Felder zu steuern, weiter auskundschaften zu können“, schließt Langenberg. „Insbesondere denke ich darüber nach, mich für eine Finanzierung des Europäischen Forschungsrats zu bewerben, um eine Forschungsgruppe über Phononik und eisenhaltige Materialien zu leiten.“

Schlüsselbegriffe

PHONON-VALVE, Phonone, elektrisches Feld, Domänenwand, ferroelektrisch

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