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Moskauer Physiker lösen ein Material-Rätsel für bessere Wärmebild-Kameras

Moskauer Physiker lösen ein Material-Rätsel für bessere Wärmebild-Kameras
Eine neue Arbeit russischer Physiker könnte bald bessere und schnellere Wärmebildkameras ermöglichen.
Russische Forscher haben erstmals ein materialwissenschaftliches Rätsel gelöst und erklärt, warum dünne Filme aus Vanadium(IV)-oxid (VO2) ab bestimmten Temperaturen den elektrischen Strom leiten. Die Resultate können Wärmebild-Kameras erheblich verbessern.

Forscher des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und des Instituts für theoretische und angewandte Elektromagnetik der Russischen Akademie der Wissenschaften haben erstmals herausgefunden, warum ultradünne Filme aus Vanadium(IV)-oxid elektrisch leitend werden, wenn man sie erhitzt. Normalerweise leiten diese dünnen Schichten aus Vanadiumoxid keinen elektrischen Strom. Wenn man die Substanz aber leicht erhitzt, verringert sich ihr elektrischer Widerstand schlagartig um den Faktor 100.000. Die Eigenschaft der Filme wird zum Beispiel genutzt, um besonders schnell schaltente Bauelemente oder Sensoren für Gleichstrom, aber auch für Wechselstromsignale im Terahertz-, Mikrowellen-, optischen oder Infrarotbereich herzustellen.

Das Magnetfeld der Erde wird in der Südatlantik-Anomalie schwächer – ein möglicher Vorbote eines Polsprungs
(Standbild aus Videomaterial der ESA)

Bisher war der genaue Mechanismus für diesen sprunghaften Anstieg der Leitfähigkeit jedoch unbekannt. Das Team um Viktor Polozow hat in einem Artikel im Fachjournal Physical Review B nun erstmals die Ursache für diesen Mechanismus beschrieben. Den Forschern zufolge erwärmt sich die Folie zuerst, und es entstehen dabei sporadisch leitende Bereiche im Inneren. Diese vernetzen sich dann in einem sogenannten "Blow-Up"-Regime schlagartig und bilden einen Kanal, der den Film leitfähig macht. Durch eine damit einsetzende weitere Erwärmung wird der Kanal breiter, wodurch der Widerstand des Films weiter drastisch sinkt.

Um zu beweisen, dass der Prozess nach diesem Muster verläuft, verglichen die russischen Wissenschaftler ihre Theorie mit dem Experiment. Dazu nutzten sie verfügbare Modelle, um die Prozesse im "Blow-Up"-Regime und somit die Änderung des Widerstandes mit ansteigender Temperatur zu beschreiben. Diese Änderungen verglichen sie anschließend mit Daten aus Messungen an den selbst herstellten Filmen. Polozows Kollege Alexander Rachmanow erklärt:

Die theoretischen Berechnungen stimmten mit den experimentellen Ergebnissen überein, und das galt für Filme mit unterschiedlichen Strukturen. Dies führte uns zu der Schlussfolgerung, dass es sich um einen universellen Mechanismus handelt.

Mit dem Wissen um diesen Mechanismus ist nun ein anwendungsorientiertes und zielgerichtetes Materialdesign möglich, da der Einsatz von Vanadiumoxid-Filmen bisher weitestgehend auf Erfahrungswerten beruhte. Polozow zufolge werden dadurch neue Wärmebild-Kameras mit einer noch nie dagewesenen Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit möglich sein:

Zu den nützlichsten Dingen, für die diese Filme wertvoll sein könnten, gehören Sensoren für ungekühlte Bolometer. Bolometer liegen Wärmebild-Systemen zugrunde. Vanadiumoxid-Filme können deren Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen und so die Anwendbarkeit von Wärmebildkameras auf sich schnell bewegende Objekte erweitern.

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