Seltene Erden für Mobiltelefone von morgen
Dielektrikum aus Kristallen sorgt in Kondensatoren für abstimmbare Frequenzen.
Ähnlich wie Radioempfänger nutzen auch Mobilfunkgeräte verschiedene Frequenzen. Abgestimmt werde diese durch Anlegen einer bestimmten Spannung an einem Kondensator. Damit es nicht zu einer Überlastung des Funknetzes kommt, wollen Netzbetreiber die Steuerung so verbessern, dass möglichst viele Signale gleichzeitig übertragen werden können.
Abb.: Die besondere Struktur des Materials ähnelt einer Backsteinmauer und führt zu sehr großer Perfektion, da die „Mörtelschicht“ die Defekte „aufsaugt“. (Bild: Cornell University, D. Schlom)
Ein internationales Forscherteam hat nun ein neues Material für abstimmbare Kondensatoren entwickelt. Kernstück ist dabei ein spezielles Dielektrikum, dessen Fähigkeit zur Speicherung von Ladung sich mit dem Anlegen einer Spannung beeinflussen lässt. Damit sinkt auch der Energieverlust, der die Akkulaufzeit von Handys derzeit noch enorm verkürzt. Das Material kann die Leistung von Kondensatoren, die sich in jedem Mobiltelefon befinden, bedeutend verbessern und damit neue Möglichkeiten der drahtlosen Kommunikation bei höheren Frequenzen eröffnen.
Grundlage für das neue Dielektrikum sind hauchdünne Strontiumtitanatschichten. Sie wurden bei Darrell G. Schlom von der Cornell University (USA) mittels Molekularstrahlepitaxie Atomschicht für Atomschicht quasi aufgesprüht. Dieses modifizierte Epitaxieverfahren führte zu einer in der Natur unbekannten Schichtstruktur des Strontiumtitanates.
Als Substrat für diese Schichten dienten Seltenerdscandat-Kristalle, die im Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin gezüchtet wurden, „weil wir das einzige Institut auf der Welt sind, das die Seltenerdscandat-Kristalle züchten kann“, so Reinhard Uecker, Leiter der Gruppe Oxidkristalle.
Entgegen ihrem Namen sind die Elemente der Seltenen Erden nicht selten, sie wurden jedoch zur Zeit ihrer Entdeckung zunächst in seltenen Mineralien gefunden. Als „Erden“ wurden früher Oxide bezeichnet.
Im Gegensatz zu den gegenwärtig kommerziell verfügbaren abstimmbaren Dielektrika zeigen die hier erzeugten neuen Strontiumtitanatschichten eine viel geringere Dichte an Defekten, die bisher zu Energie- und Performanceverlusten führten. Seine hohe Perfektion hat das Material der speziellen Struktur der Schichten zu verdanken: Die Aufnahme des Rasterelektronenmikroskops zeigt, dass die Atomschichten nicht gleichmäßig ausgebildet sind, sondern wie eine Backsteinmauer aussehen: Ziegelsteine mit Schichten von Mörtel dazwischen.
Normalerweise hat Strontiumtitanat viele Gitterdefekte. Bei der Anordnung wie in einer Backsteinmauer jedoch saugt die dünne „Mörtelschicht“ die Defekte auf, die „Ziegelsteine“ erreichen dafür eine umso höhere Perfektion. Darrell G. Schlom erläutert: „Mit diesem Material erreichen die Kondensatoren eine mindestens fünffache Leistung im Vergleich zu den derzeit verwendeten.“
FVB / PH
