Materialforschung: Oxidkeramik mit reversiblen Eigenschaften

Die Struktur von Lanthan-Strontium-Manganat verändert sich mit dem Sauerstoffgehalt. © Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Struktur von Lanthan-Strontium-Manganat verändert sich mit dem Sauerstoffgehalt.
Moderne Technik kommt nicht ohne Materialien mit genau definierten physikalischen Eigenschaften aus. Eine neue Möglichkeit für gezieltes und dabei reversibles Materialdesign mit Hilfe von Sauerstoff stellten nun Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich vor. Die von ihnen untersuchte Keramik kann Sauerstoff aufnehmen, speichern und wieder abgeben, so ähnlich wie ein Schwamm Wasser. Dabei wechselt die kristalline Substanz zwischen elektrisch leitend und isolierend. Gleichzeitig verändern sich auch die magnetischen Eigenschaften. Mögliche Einsatzzwecke sehen die Forscher in Computerspeichern, Sensoren und Katalysatoren.

Lanthan-Strontium-Manganat, (La,Sr)MnO₃, kurz LSMO, ist eine sogenannte Oxidkeramik und wird bereits in Hochtempertatur-Brennstoffzellen eingesetzt. Dass Sauerstoffaufnahme ihre elektrische Leitfähigkeit beeinflusst, war bereits vor den Untersuchungen der Jülicher Forscher bekannt. Jedoch gelang es ihnen erstmals, die mit der Sauerstoffaufnahme und –abgabe einhergehenden Veränderungen der Kristallstruktur sowie der elektrischen und magnetischen Eigenschaften Schritt für Schritt nachzuweisen und damit eine Grundlage für besseres Materialdesign zu legen.

Anders als die so genannte Dotierung, mit der die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern eingestellt wird, ist der Prozess reversibel: Der Sauerstoffgehalt kann, etwa durch Erhitzen, immer wieder verändert werden. „Damit eröffnet sich eine interessante Möglichkeit, die Eigenschaften eines technisch interessanten Materials gezielt zu variieren“, freut sich Dr. Oleg Petracic, Physiker am Jülich Centre for Neutron Science.

Die Struktur untersuchten die Wissenschaftler mittels Röntgenbeugung. Dabei entdeckten sie auch eine bisher nicht bekannte Kristallstruktur im Übergang zwischen den beiden Zuständen, die einen neuartigen Kristallübergang nahelegt. Informationen über den Sauerstoffgehalt und magnetische Eigenschaften gewannen sie mittels polarisierter Neutronenstreuung am Magnetismus-Reflektometer MARIA, einem Instrument, das das JCNS an seiner Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching betreibt.

Text: A. Wenzik / Forschungszentrum Jülich