Supraleitende organische Bauelemente für die Elektronik und Optoelektronik der Zukunft

08.10.2001
Braunschweig Preis 2001 ging an ein internationales Forscherteam der Bell Labs von Lucent Technologies

Das Forscherteam von Prof. Dr. Bertram Batlogg, ETH Zürich, mit Dr. Christian Kloc und Dr. Jan Hendrik Schön, beide von den Bell Labs, dem Forschungs- und Entwicklungsbereich von Lucent Technologies, haben den Braunschweig Preis 2001 erhalten.

Die Wissenschaftler erhielten die mit 100.000 Mark dotierte Auszeichnung für die Erforschung und Entwicklung von innovativen elektronischen und optoelektronischen Bauelementen aus organischen Materialien.

Die Entwicklungsergebnisse der Gruppe sind von grundlegender Bedeutung für Forschung und Wirtschaft. Das Team von Prof. Batlogg, der vor seinem Lehrauftrag in Zürich mehr als 20 Jahre in den Bell Labs tätig war, hat durch die Entwicklung einer Reihe neuartiger elektronischer Bauelemente die Silizium-Halbleitertechnologie ergänzt. Wirtschaft und Forschung stehen mit den Forschungsergebnissen völlig neue technische und wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten offen. Dazu gehören Gebrauchsgegenstände des Alltags, wie intelligente Etiketten, ebenso wie die Herstellung neuartiger Supraleiter, also Materialien ohne elektrischen Widerstand.

Diese Supraleiter können möglicherweise im Bereich der supraleitenden Elektronik eingesetzt werden. Die Arbeitsgruppe hat daraus auch ein Beispiel eines Grundelementes für Quantencomputer hergestellt. Ebenso lassen sich mit der neuen Technologie der organischen Elektronik und Optoelektronik dünne Folien herstellen, die zusammengerollt und als Bildschirme an die Wand geheftet werden können.

In einer der neuesten Arbeiten ist es der Arbeitsgruppe gelungen, fußballförmige Kohlenstoffmoleküle aus 60 Atomen, die Buckyballs, bereits bei Temperaturen von minus 156 Grad Celsius supraleitend zu machen. Mit Buckyball- Molekülen als Supraleiter wird schon einige Zeit experimentiert. Trotz intensiver Bemühungen wurde bisher eine Supraleitfähigkeit nicht über minus 233 Grad Celsius erreicht. Den Forschern gelang im letzten Jahr der Temperatursprung auf minus 221 Grad, und nun durch das Einfügen von Chloroform und Bromoform zwischen den Kohlenstoffmolekülen sogar auf minus 156 Grad Celsius. Durch das Einfügen von Chloroform und Bromoform erhöht sich die elektronische Zustandsdichte, eine Eigenschaft, die wesentlich die kritische Temperatur beeinflusst. Zusätzlich wurde das Material mit Hilfe eines elektrischen Feldes mit Ladungsträgern angereichert. Die supraleitenden Kohlenstoffkristalle lassen sich verhältnismäßig leicht verarbeiten. Die notwendige Kühlung ist mit preiswerter flüssiger Luft möglich. Die Physiker hoffen mit der von ihnen entwickelten Methode noch bei deutlich höheren Temperaturen die Supraleitfähigkeit zu erreichen.

Die Leistungsfähigkeit der organischen Materialien haben die Preisträger auch mit dem ersten elektrisch betriebenen Laser und photovoltaischen Zellen unter Beweis gestellt.

Im Vergleich zu Silizium ist bei der Herstellung der neuen Produkte aus organischen Materialien wesentlich weniger Energie notwendig. Damit ist auch ein nachhaltiger Nutzen unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten gegeben.

Der Braunschweiger Forschungsbeirat hatte unter 120 Bewerbungen aus dem In- und Ausland vier Kandidaten ausgewählt, die ihr Projekt der Jury vorstellten. Diese hatte sich einhellig für die diesjährigen Preisträger ausgesprochen. Die Preisübergabe erfolgte während des zweiten Kongresses "Lebenswelten für Morgen" am 8. Oktober 2001 in Braunschweig durch Oberbürgermeister Werner Steffens.

Der Braunschweig Preis wird in zweijährigem Turnus international ausgeschrieben. Mit diesem Preis unterstützt die Stadt Braunschweig innovative anwendungsnahe Forschungsprojekte, die wirtschaftlichen Nutzen bringen und zu einem effizienten Einsatz natürlicher Ressourcen beitragen. Es ist der höchstdotierte Forschungspreis einer deutschen Stadt.

Buckyball

Das von Nobelpreisträger Prof. Richard E. Smalley gefundene C60-Molekül (auch Buckyball oder Fußball-Molekül genannt), das zur Gattung der Fullerene gehört, ist das symmetrischste aller bisher gefundenen Moleküle. Es ist neben Diamant und Graphit die dritte Ausprägung des Kohlenstoffs und wurde 1985 entdeckt. Im Sinne Buckminster Fullers repräsentiert es eine Tensegrity-Struktur. Durch seine Hohlstruktur aus fünfeckigen und sechseckigen Kohlenstoffringen können im Buckyball-Molekül Fremdatome untergebracht und hierbei völlig neuartige physikalische Vakuum-Experimente durchgeführt werden.

Diese Miniatur-Tensegrity ermöglicht hierbei nach Fuller mit neuen Technologien auf einer Mikro-Ebene zu operieren. Kristalle aus Buckyballs können so bearbeitet werden, dass diese Isolatoren, elektrische Leiter, Halbleiter oder sogar Supraleiter sind. Ein makroskopisches Anwendungsbeispiel für eine Tensegrity-Struktur ist eine Ballonhülle, ein Netzwerk, bei dem die Löcher mikroskopisch so klein sind, dass die Luftmoleküle nicht austreten können.

Supraleiter

Zahlreiche Elemente, wie Aluminium, Arsen, Titan und Zinn sowie mehrere tausend Legierungen und Verbindungen gehen unterhalb einer für das Material charakteristischen kritischen Übergangstemperatur in einen elektrisch widerstandsfreien Zustand über und werden supraleitend. Ein Strom fließt unter entsprechenden Bedingungen auch nach Entfernung des induzierenden Magnetfelds weiter. Die Sprungtemperaturen der seit 1911 bekannten klassischen Supraleiter liegen unter 20 K (Kelvin, 0 K = -2730C); seit 1986 sind auch oxidierte Supraleiter mit Übergangstemperaturen über 77 K bekannt, die damit eine kostengünstige Kühlung mit flüssigem Stickstoff ermöglichen.

Supraleiter finden Einsatz beim Bau von Magneten mit sehr hoher Kraftflussdichte für die Hochenergiephysik und bei der Realisierung elektronischer Bauelemente, u. a. für die Mess- und Nachrichtentechnik und bei der Entwicklung ultraschneller Computer.

Quelle: Lucent Technologies


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