Heiratsschwindel unter Oxiden

Unter einer Legierung versteht man üblicherweise eine Mischung aus mehreren Metallen. Aber auch andere Materialien lassen sich legieren. In der Halbleiterindustrie werden etwa Oxid- und Nitrid-Legierungen seit langem erfolgreich eingesetzt, um Materialeigenschaften gezielt zu verändern. Meist sind die Eigenschaften der Ausgangsstoffe noch gut erkennbar.

Mischt man allerdings Verbindungen, deren Kristallstrukturen überhaupt nicht zusammenpassen, entstehen «Heterostruktur-Legierungen» – In diesen Legierungen ändert sich die Struktur abhängig vom Mischungsverhältnis der Komponenten.

Dies führt bisweilen zu überraschenden Eigenschaften, die sich deutlich von denen der Ausgangsstoffe unterscheiden. Genau solche Oxid-Legierungen interessieren den Empa-Forscher Sebastian Siol. Er möchte sie nicht nur entdecken, sondern für den Alltag nutzbar machen.

Bei der Suche nach dem gewünschten Material muss er mehrere Aspekte zugleich im Auge behalten wie zum Beispiel die Struktur, die elektronischen Eigenschaften – und die Langzeitstabilität.

Siol stiess im vergangenen Jahr zur Empa. Zuvor hatte er am «National Renewable Energy Research Laboratory» (NREL) in Golden, Colorado, geforscht und eine bemerkenswerte Veröffentlichung hinterlassen: Legierungen mit «negativem Druck». Zusammen mit seinen Kollegen hatte er Manganselenid und Mangantellurid im Kalt-Dampf-Verfahren (Magnetronsputtering) vermischt.

Die Ausgangsstoffe hatten sich bei bestimmten Mischungsverhältnissen in einem für beide Komponenten «ungemütlichen» Kristallgitter vereinigt. Keiner der Partner konnte dem anderen seine Lieblings-Kristallstruktur aufzwingen, die er im reinen Zustand bevorzugt.

Der entstandene Kompromiss war eine neue Phase, die normalerweise nur bei «negativem Druck» entstehen würde – also dann, wenn das Material permanent unter Zug gesetzt wird. Solche Materialien sind unter normalen Bedingungen sehr schwer herzustellen. Siol und seine Kolleginnen und Kollegen am NREL haben es geschafft, diese Schwierigkeit zu umgehen.

Das neue, nun zugängliche Material, zeigt viele nützliche Eigenschaften, es ist unter anderem piezoelektrisch. Man kann also damit Strom erzeugen, Detektoren herstellen – oder Halbleiterexperimente machen, die mit den Ausgangsstoffen nicht möglich wären.

Forschung an stabilen Systemen

An der Empa wird Siol seine Erfahrungen in der Herstellung von «unmöglichen» Oxid-Legierungen einbringen. Er möchte Oxidgemische mit veränderlicher Struktur entdecken und so weit stabilisieren, dass sie alltagstauglich werden. Die Forschungsabteilung «Fügetechnologie und Korrosion» unter Leitung von Lars Jeurgens hat grosse Erfahrungen mit der praktischen Anwendung von stabilen Oxidschichten und Legierungen. Im Fokus stehen zunächst Mischoxide aus Titan- und Wolframoxid, die zum Beispiel für die Beschichtung von Fenstern, für die Halbleitertechnik oder Sensorik interessant sein könnten. Siols Kollegin Claudia Cancellieri erforscht bereits seit einigen Jahren die elektronischen Eigenschaften von Oxid-Grenzflächen und bringt ihre Erfahrungen in die gemeinsamen Forschungsprojekte ein.

«Die Materialkombination ist extrem spannend», so Siol. Titanoxide sind äusserst stabil, sie werden in Solarzellen, in Wandfarben und in Zahnpasta verwendet. Wolframoxide sind dagegen vergleichsweise instabil und werden für tönbare Fenster, Gassensoren oder als Katalysatoren in der Petrochemie eingesetzt. «In der Vergangenheit lag der Forschungsfokus oft ausschliesslich auf der Optimierung der Materialeigenschaften», sagt Siol. «Entscheidend ist allerdings auch, ob man das Material über mehrere Jahre lang in dem jeweiligen Anwendungsgebiet einsetzen kann.» Das wäre zum Beispiel für Halbleiter-Schichtsysteme wie in elektrochromen Fenstern wichtig, die in aggressiven Umgebungen unter Einwirkung von Sonnenlicht und Temperaturschwankungen Jahrzehnte lang halten müssen. Nach dieser Langzeitstabilität suchen die Empa-Forscher.

Zur Herstellung dieser Oxidphasen wenden Siol und seine Kollegen verschiedene industriell skalierbare Verfahren an. Zum einen die kontrollierte Oxidation dünner Metallschichten in einem Ofen oder in elektrolytischer Lösung. Aber auch reaktives Sputtern kommt zum Einsatz, wobei die Metalle unmittelbar bei der Abscheidung oxidiert werden. «Unmögliche» Oxid-Legierungen, bisher ein Thema der Grundlagenforschung, werden damit langsam für Industrieanwendungen greifbar.

https://www.empa.ch/web/s604/heterostructural-alloys