Mikroskop enthüllt die Geheimnisse der Struktur eines Materials

Bariumtitanat ist ein ferroelektrisches Material, das in fast allen elektronischen Geräten verwendet wird – in Computern, Smartphones und sogar in Elektroautos. «Ein einziges Smartphone hat in der Regel rund 700 Kondensatoren, die Bariumtitanat enthalten, und jedes Jahr werden Billionen dieser Kondensatoren hergestellt», sagt Dragan Damjanovic, EPFL-Professor und Leiter der Gruppe für Ferroelektrika und funktionale Oxide an der EPFL School of Engineering. Trotz der weiten Verbreitung von Bariumtitanat verstehen die Forschenden jedoch noch immer nicht ganz, wie es funktioniert: «Es gibt natürlich theoretische Modelle, aber einige ihrer wichtigsten Vorhersagen wurden nie experimentell bestätigt. Das haben wir uns zur Aufgabe gemacht», sagt Damjanovic.

Eines der leistungsstärksten Mikroskope der Welt

Emad Oveisi, leitender Wissenschaftler am Interdisziplinären Zentrum für Elektronenmikroskopie der EPFL, schlug Damjanovic und seiner Doktorandin Sina Hashemizadeh vor, das «Titan Themis» seines Zentrums – eines der leistungsstärksten Elektronenmikroskope der Welt – für ihre Forschung zu nutzen. Mit dem Titan Themis konnten die Forschenden theatomische Strukturen von Bariumtitanat und Barium-Strontiumtitanat in der kubischen Phase beobachten. Das war im Jahr 2015, als sie die ersten Bilder erhielten; es dauerte weitere fünf Jahre, um ihre Ergebnisse zu analysieren und zu verifizieren: «Bisher glaubten die Forschenden, dass sich die Atome in sehr kurzer Zeit in mehrere Richtungen bewegen. Aber unsere Experimente haben gezeigt, dass sie dazu neigen, bestimmte Richtungen zu bevorzugen, was bedeutet, dass es nanometergrosse Bereiche gibt, in denen sich alle Atome auf die gleiche Weise bewegen. Das verändert unsere Sichtweise auf diese Materialien und ihre atomare Struktur völlig», sagt Oveisi. Da ihre Ergebnisse der gängigen Meinung widersprachen, wollten die Forschenden sichergehen, dass sie richtig lagen. Also testeten und prüften sie ihre Ergebnisse mehrfach, unter anderem mit Kolleginnen und Kollegen in Slowenien, Österreich und Japan. Deshalb dauerte es auch fünf Jahre, bis die Ergebnisse fertig waren. Die Studie wurde nun in Nature Communications veröffentlicht.

Die atomare Struktur von Bariumtitanat © 2021 EPFL

Kleinräumige Phänomene mit grossräumiger Auswirkung

Dank der fortschrittlichen Bildanalyse-Methoden konnten die Forschenden erkennen, wo im Material sich die Atome geordnet bewegen: «Wenn wir von Bewegungen sprechen, meinen wir eigentlich Verschiebungen, die auf einer Pikometer-Skala stattfinden – also eine Grössenordnung kleiner als die Atome selbst», sagt Oveisi. Damjanovic fügt hinzu: «Auch wenn die Verschiebungen extrem klein sind, haben sie Auswirkungen auf einer viel grösseren Skala. Wenn wir zum Beispiel die von uns identifizierten nanometrischen Bereiche einem hochfrequenten elektrischen Feld aussetzen, wie es in Smartphones vorkommt, erwärmen sich die Bereiche», so Damjanovic, dessen Team mit seinen Ergebnissen einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis von Energieverlusten in solchen Materialien leisten kann.

Wie geht es nun weiter? «Die Forschung ist endlos», sagt Damjanovic, «die Frage, ob die nanometrische Verschiebung tatsächlich eine Rolle bei der Erwärmung des Materials spielt, muss noch getestet werden. Und wenn das der Fall ist, wird der nächste Schritt darin bestehen, Materialien zu entwickeln, bei denen die Grösse der Verdrängungsfläche minimiert wird, um die Eigenschaften des Materials zu verbessern.»