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23.02.2015 | Mikroelektronik | Im Fokus | Onlineartikel

Pyroelektrizität zur Energiewandlung

Autor:
Andreas Burkert
2:30 Min. Lesedauer

Pyroelektrika eignen sich bestens für Strahlungsdetektoren. Dabei können sie viel mehr, wie Jungwissenschaftler soeben bewiesen haben. Diese Materialien lassen sich auch zur Energiewandlung, Restwärmenutzung oder für eisabweisende Beschichtungen nutzen.

Es gibt Materialien, die reagieren äußerst interessant auf eine Änderung der Umgebungstemperatur. Einige Materialien wie die sogenannten Pyroelektrika bilden etwa eine elektrische Oberflächenladung aus. Je nach Material können so Feldstärken von mehreren Kilovolt pro Millimeter entstehen. Diese Materialien treten in einer breiten Vielfalt auf und bergen große Potenziale für den Einsatz in Energie- und Stoffwandlungsprozessen. Kommerziell können sie etwa Strahlungsdetektoren eingesetzt werden. Mit Hochdruck untersuchen Wissenschaftler, ob sich diese Materialien auch zur Energiewandlung, Restwärmenutzung oder für eisabweisende Beschichtungen eignen.

Erstmals gelang es ihnen nun, durch das Anlegen eines elektrischen Feldes Pyroelektrizität in einer zentrosymmetrischen Kristallstruktur zu induzieren. Bei zentrosymmetrischen Kristallen handelt es sich um Kristalle, die durch die Spiegelung an einem Symmetriepunkt auf sich selbst abgebildet werden können. Dieses Ergebnis wurde unter der Federführung Juliane Hanzig und Erik Mehner in der Fachzeitschrift New Journal of Physics veröffentlicht. Beide sind Doktoranden am Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe „Verbindungshalbleiter und Festkörperspektroskopie“ um Professor D. C. Meyer.

Stufenlose Regelbarkeit der Pyroelektrizität

 „Am Beispiel des Strontiumtitanats konnten mithilfe einer pyroelektrischen Messmethode die dynamischen defektchemischen und physikalischen Transportprozesse in externen elektrischen Feldern auf atomarer Skala studiert werden“, erklärt Hanzig und verweist darauf, dass „die materialspezifische Größe des pyroelektrischen Koeffizienten für SrTiO3 bei Raumtemperatur zu 30μC/m2K bestimmt werden konnte und dabei im Bereich herkömmlicher oxidischer Pyroelektrika, wie Lithiumniobat liegt“. Das sind die wesentlichen Ergebnisse der Arbeit, zu denen Mehner ergänzend hinzufügt: „Der Grundgedanke der Neuartigkeit ist strukturelles Design in Materialen, die aus Symmetriegründen in der Natur nicht pyroelektrisch vorkommen können, indem gezielt durch atomares Design und Defekt Engineering die Symmetrie lokal erniedrigt wird.“

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Da die strukturellen Bedingungen für das Auftreten von Pyroelektrizität eine starke Einschränkung der Materialauswahl darstellen, war das Ziel der Untersuchungen klar definiert: Das Bereitstellen einer breiteren Materialbasis mit einem großen Spektrum an thermischen, dielektrischen und optischen Eigenschaften, die hinsichtlich ihrer Anwendung ausgesucht werden

Laut den Forschern werden auf diese Weise verbesserte, in ihren Betriebsparametern an die jeweilige Aufgabe angepasste Funktionswerkstoffe bereitgestellt. Als wesentliche Vorteile erweisen sich in diesem Zusammenhang die Schaltbarkeit und die stufenlose Regelbarkeit der Pyroelektrizität. „Im Hinblick auf neuartige Anwendungen erscheint diese Eigenschaft als vielversprechend um die Sensitivität eines elektronischen Bauelementes entsprechend einstellen zu können.“

Um die komplexen Vorgänge bei der Materialmodifikation besser verstehen zu können, wurde ein Video zum Thema Pyroelektrizität erstellt:

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