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Nanoskalige multifunktionale Oxide
Material- und Grenzflächendesign für Elektronik und erneuerbare Energiewandlung
Prof. Dr. Christian Jooss
 Solar fuels Ch. Jooss and H. Tributsch In Handbook Materials for Energy and Environmental Sustainability, Edited by David Ginley and David Cahen, published MRS & Cambridge University Press, 2011 |
Metall-Sauerstoff-Verbindungen zeigen eine große Reichhaltigkeit von Eigenschaften, wie Magnetismus, Hochtemperatursupraleitung, Isolator-Metall-Übergänge und optische Eigenschaften, die weitgehend unverstanden sind. Sie beruhen empfindlich auf Korrelationen zwischen elektronischen Zuständen und der Gitter- Defektstruktur. Die Kopplung von verschiedenen Eigenschaften (mechanisch, chemisch, elektrisch, optisch und magnetisch) machen diese Materialien besonders interessant für multifunktionale Anwendungen. Nanostrukturen und Grenzflächen aus diesen Materialien ermöglichen dabei neuartige Funktionalitäten für Elektronik und Energiewandlung. Beispiele sind photoinduzierte Strukturänderungen und Korrelationen, die zu neuen Mechanismen der Photovoltaik und Photokatalyse an Grenzflächen führen. Thermoelektrische Effekte und ihre Temperaturstabilität geben nanostrukturierten Oxiden ein großes Potential für die thermoelektrische Energiewandlung. Remanente Widerstandsänderungen in Metall-Oxid Heterostrukturen sind ein Beispiel für neue Mechanismen für die Datenspeicherung.
Dabei sind grundlegende materialphysikalische Fragestellungen bis heute unverstanden:
- Was bestimmt Defektstruktur und Grenzflächeneigenschaften in komplexen Oxiden?
- Warum hängen multifunktionale Eigenschaften extrem sensitiv von Defektstruktur und Grenzflächeneigenschaften der korrelierten Oxide ab?
- Wie können Mechanismen der korrelierten Energiewandlung, -dissipation und transport in nanoskaligen Oxiden verstanden und nutzbar gemacht werden?
- Welche Mechanismen bestimmen die Phasenstabilität (strukturell/elektronisch) als Funktion von Längenskalen und Wechselwirkungen in korrelierten Materialien?
- Welche Verfahren eignen sich zum Design von Grenzflächen und Nanostrukturen in komplexen Oxiden auf atomarer Skala?
Zur Beantwortung dieser Fragen werden neue Verfahren der in-situ Nanocharakterisierung entwickelt. Das Bild nebenan zeigt die elektrische Messung in einem Elektronenmikroskop mittels einer Nanospitze. Diese Verfahren erlauben die Untersuchung komplexer Materialien auf kleinsten Längen und verschiedenen Zeiten unter realen Bedingungen im Nichtgleichgewicht und mit externen Stimuli. Diese Fähigkeiten sind eine grundlegende Vorrausetzung für die Weiterentwicklung bisher bewährter Ansätze der Materialphysik in Methode und Theorie.
