22.07.2019

Übergitter verstärken Wärmeleitung

In zueinander verdrehten Kristalllagen breiten sich Phononen kohärent aus.

In der Elektronik- und Computer­industrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungs­fähiger. Problematisch ist dabei die Wärme­entwicklung, die durch mechanische Wellen zustande kommt. Daher ist es wichtig, diese Phononen genau zu untersuchen und ihr Verhalten im Material zu verstehen. Die Forschung geht heute sogar noch einen Schritt weiter und entwirft ganz gezielt Materialien, mit denen sich die Ausbreitung der Phononen steuern lässt. Zum einen, um Materialien herzustellen, die Wärme sehr schnell abgeben und sich daher nur wenig aufheizen. Zum anderen, um Wärme­unterschiede möglichst lange aufrecht zu halten und zur Stromerzeugung zu nutzen. 

Abb.: Illustration und Mikroskop­aufnahme von zwei Lagen Gallium­phosphid,...
Abb.: Illustration und Mikroskop­aufnahme von zwei Lagen Gallium­phosphid, die gegen­einander um sechzig Grad verdreht sind. (Bild: U. Basel)

Die Gruppe von Ilaria Zardo vom Departe­ment Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersucht Materialien, die maßge­schneiderte Eigen­schaften in der Aussendung und Verbreitung von Phononen haben. Im Rahmen einer inter­nationalen Zusammen­arbeit unter der Leitung von Zardo konnten die Nanowissen­schaftler nun erstmals zeigen, dass allein die Anordnung der Atome einen Einfluss auf die Phononen und somit auf die Wärmeleit­fähigkeit hat. Die Forscher haben dazu Gallium­phosphid-Nanodrähte hergestellt, bei denen aufeinander­folgende Kristalllagen gegeneinander periodisch um sechzig Grad verdreht sind. Es bildet sich durch diese Anordnung eine Über­struktur, in der sich Phononen kohärent ausbreiten – die Wärme also sehr effektiv leiten.

Bisher wurden derartige Über­strukturen aus periodisch ange­ordneten Lagen unter­schiedlicher Materialien hergestellt. Die Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien sind jedoch oft nicht klar definiert, und es treten Fehler auf, welche die Ausbreitung der Phononen und damit die Wärmeleit­fähigkeit massiv reduzieren. Bei den vorliegenden Unter­suchungen wiesen die Forscher nach, dass derartige Stör­effekte nicht auftreten, wenn das Material der Lagen identisch ist, sich jedoch durch die Anordnung der Atome unterscheidet. Und obwohl die Lagen aus demselben Material bestehen, verändern sich allein durch Drehung der Lagen gegeneinander die phononischen Eigen­schaften. Bislang stand es noch zur Debatte, ob sich diese neuartigen Systeme wie herkömm­liche Übergitter verhalten.

U. Basel / JOL

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