Am Luxembourg Institute of Science and Technology wird an Multiferroika geforscht: Wegen ihrer vielen interessanten Eigenschaften gelten diese Materialien als „smart“

Legospiel mit Atomen

d'Lëtzebuerger Land vom 21.10.2016

Magneten kennt heutzutage jedes Kind, und schon im alten China wusste man, dass bestimmte Materialien sich offenbar ohne äußere Kräfte anziehen oder abstoßen können. Woran das liegt, ist sehr gut verstanden: Die Elektronen eines Atoms besitzen einen Drehimpuls, den so genannten Spin. Er verursacht ein winzig kleines magnetisches Moment. Weisen in einem Material die Spins sämtlicher Elektronen in dieselbe Richtung, wird das Material magnetisch.

In der Physik nennt man diese Eigenschaft „Ferromagnetismus“, abgeleitet von dem lateinischen Wort ferrum für das magnetische Element Eisen. Einen „Anti-Ferromagnetismus“ gibt es auch: Dabei richten die Elektronen sich ebenfalls kollektiv aus, allerdings so, dass alle Momente sich gegenseitig kompensieren. Dann tritt kein Magnetismus auf.

Eine weitere Ferro-Eigenschaft steckt in vielen Airbag-Systemen, obwohl sie nichts mit Eisen zu tun hat: die „Ferroelektrizität“. Manche Kristalle tragen auf ihrer Oberfläche eine elektrische Spannung. Wirkt ein Druck auf die Kristalle, ändert die Spannung sich. Das nennt man „Piezoelektrizität“. Ferroelektrische Materialien sind immer auch piezoelektrisch. In Airbag-Systemen analysiert eine Elektronik die Spannung, die piezoelektrische Sensoren liefern. Überschreitet die Spannung, beziehungsweise der Druck auf die Sensoren, ein bestimmtes Maß, geht die Elektronik davon aus, dass Unfallgefahr droht und zündet den Airbag.

Seit ungefähr zehn Jahren sind „Multiferroika“ ein ganz heißes Forschungsgebiet der Materialwissenschaft. Solche Materialien haben nicht nur eine dominierende Eigenschaft, wie eine gute Magnetisierbarkeit oder eine starke Ferroelektrizität, sondern mindestens zwei. Zum Beispiel sind sie gleichzeitig ferromagnetisch und ferroelektrisch, und es kann zwischen beiden Eigenschaften eine „Kopplung“ geben: Ein elektrisches Feld vermag die Magnetisierung des Materials zu beeinflussen, ein magnetisches Feld ändert die elektrische Spannung.

„Dass es solche Materialien geben müsste, vermuteten Physiker schon in den 1930-er Jahren“, sagt Jens Kreisel, Leiter der Abteilung Materialwissenschaft am Luxembourg Institute of Science and Technology (List). Als nach der Jahrtausendwende tatsächlich Multiferroika mit starker Kopplung gefunden wurden, wuchs das Forschungsinteresse. Denn leistungsstarke piezoelektrische Kristalle zum Beispiel enthalten stets Blei. „Wegen der Giftigkeit von Blei ist die Herstellung wie auch das Recycling dieser Kristalle eigentlich eine Katastrophe“, sagt Jens Kreisel. Die Multiferroika-Forschung werde hoffentlich bald neue, bleifreie Piezoelektrika vorschlagen können.

Den entscheidenden Schub für die Forschung aber lieferten Gedankenspiele über potenzielle Anwendungen von Multiferroika, etwa in der Computer-Hardware. Dabei würde die so interessante „Kopplung“ nutzbar gemacht. Auf Festplatten werden Daten magnetisch gespeichert. Die Informationen auszulesen, ist einfach, sie auf die Platte zu schreiben, ist dagegen vergleichsweise energieaufwändig. In ferroelektrischen Kristallspeichern lägen die Verhältnisse umgekehrt, erklärt Jens Kreisel. Das Schreiben sei weniger aufwändig als das Auslesen der Daten. „Eines Tages könnten vielleicht in magnetoelektrischen Speichern die Daten elektrisch geschrieben und magnetisch gelesen werden. Der Energieverbrauch könnte dann viel kleiner sein.“

Aber das ist noch Zukunftsmusik. Jens Kreisel schätzt, bis zur „Ingenieuranwendung“ magnetoelektrischer Multiferroika würden noch Jahre vergehen. Zuvor müsse die Wissenschaft noch besser verstehen, warum es zu Kopplungen verschiedener Materialeigenschaften kommt, in welchen Materialien das besonders gut funktioniert und wie die Kopplung sich verstärken lässt.

Zurzeit gleiche die Arbeit einem „Herantasten“, sagt Jens Kreisel. Stets geht man von einem Kristall aus, in dem das Material vorliegt. Man analysiert zunächst die atomare Struktur dieser Kristalle und versucht sie anschließend zu beeinflussen. „Dabei werden neue chemische Verbindungen geschaffen. Man fügt zum Beispiel ein fremdes Atom hinzu. Dadurch wird die Struktur des Materials ein Stück gedehnt und es ergeben sich ganz neue Eigenschaften.“ Die Dehnung ist aber so winzig, dass die Atomstruktur kaum stärker verschoben wird als um einen Bruchteil eines Atoms. Das ist sehr schwer zu messen.

Eines der Hauptarbeitsgebiete der Materialwissenschaftler am List heißt „Fotoferroelektrizität“. Fotoferroelektrische Materialien sind sowohl ferroelektrisch als auch lichtempfindlich. Die Kopplung zwischen den Materialeigenschaften führt beispielsweise dazu, dass ein Lichteinfall einen elektrischen Spannungsanstieg am Kristall auslöst – was wiederum dafür sorgt, dass das Material sich verformt. Die Wechselwirkungen in solchen Materialien sind noch weniger erforscht als die Zusammenhänge von Magnetismus, elektrischer Ladung und Verformung: „Im Prinzip“, sagt Jens Kreisel, tritt das Licht nicht mit den Atomen im Material in Wechselwirkung, sondern mit den Elektronen. Im Material werden die elektrischen Ladungen separiert. Durch die Ladungstrennung entstehen Kräfte, denen die Atome nachgeben müssen. Sie ändern ihre Position, bis im Kristall ein neues Gleichgewicht entsteht.“

„Multifunktionalität“ ist ein Schlüsselbegriff bei solchen Materialien, denen zugeschrieben wird, „smart“ zu sein, weil sie zum Beispiel auf Verformung „intelligent“ mit einer elektrischen Spannung reagieren, die sagt: Achtung, ich werde verformt! „Man muss aber zwischen den verschiedenen Materialeigenschaften immer einen Kompromiss eingehen“, sagt Jens Kreisel. So „stark“ wie der beste Dauermagnet beispielsweise kann ein Multiferroikum, das magnetisierbar ist, gleichzeitig auch verformbar und das obendrein elektrische Ladungen tragen kann, nicht sein – jedenfalls nicht nach dem aktuellen Wissensstand.

Am List gehört die Arbeit an den Multiferroika zu den Vorzeige-Aktivitäten. Die Berufung von Jens Kreisel als Forschungsabteilungsleiter war vor drei Jahren gebunden an ein Pearl-Exzellenzprojekt des nationalen Forschungsfonds FNR zum Aufbau eines ganzen Teams zum Thema „Coupling in Multifunctional Ferroic Materials“ (Co-fermat). Der FNR steuert über die fünfjährige Laufdauer des Projekts fünf Millionen Euro bei. Das List beteiligt sich ebenfalls finanziell, und der Plan sieht vor, dass die Co-fermat-Gruppe wenigstens 1,3 Millionen Euro extern durch Beteiligung an Projekten einwerben würde.

Heute bilanziert Jens Kreisel zufrieden, dass das Team aus 20 Mitarbeitern besteht und nach nur drei Jahren bereits 3,3 Millionen Euro an zusätzlichen Drittmitteln akquiriert werden konnten. Mehr als 50 Publikationen in hochrangigen Fachzeitschriften habe das Team eingereicht, sei zu internationalen Konferenzen eingeladen worden und habe bereits Patente angemeldet. Außerdem wurde mit der Firma IEE ein Industriepartner gefunden, der selber sehr viel forscht: „Um die Multiferroika-Forschung nach Auslaufen der FNR-Förderung ist mir nicht bange“, sagt Jens Kreisel.

Peter Feist
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