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18.11.2013

Kristalle für Mobiltelefone von morgen


Bei der drahtlosen Kommunikation müssen immer größere Mengen von Daten immer schneller übertragen werden. Grundlage dafür sind Kristalle von hoher Perfektion und ganz speziellen Eigenschaften. Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) hat nun ein Materialsystem für höchste Ansprüche entwickelt und seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Noch vor zehn Jahren war es nicht selbstverständlich, dass jeder ein Handy besitzt. Mobil erreichbar waren vor allem besonders fortschrittliche Menschen oder Geschäftsleute. Heute sind selbst Schulkinder mit Handys ausgestattet, und auch für ältere Menschen sind sie oft unverzichtbar - der Trend geht längst zum Zweithandy. Für diese geballte mobile Kommunikation braucht nicht nur jeder ein Mobiltelefon, sondern die Funknetze müssen auch mit der Übertragung Schritt halten.

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.

Ein internationales Forscherteam hat nun das weltweit beste 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. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Das neue 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 beim Projektpartner 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 (kristalline Unterlage mit möglichst ähnlicher Struktur) für diese Schichten dienten Seltenerdscandat-Kristalle, die im IKZ gezüchtet werden. Warum das internationale Konsortium ausgerechnet das IKZ für die Kristallzüchtung mit ins Boot geholt hat? "Weil wir das einzige Institut auf der Welt sind, das die Seltenerdscandat-Kristalle züchten kann!", betont Dr. Reinhard Uecker, Leiter der Gruppe Oxidkristalle am IKZ. 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 Schlom erläutert: "Mit diesem Material erreichen die Kondensatoren eine mindestens fünffache Leistung im Vergleich zu den derzeit verwendeten."

Quelle: Forschungsverbund Berlin




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