Vom Molekül zum Piezomaterial

27.05.2020

Vom Molekül zum Piezomaterial

Vom Molekül zum Piezomaterial lässt sich die lösungsbasierte Synthese von Zinkoxid ZnO steuern und die nachgewiesenen Zwischenstufen mikroskopisch charakteri-sieren. Sie sind für das Verständnis der Kristallisation dieses auch technologisch wichtigen Materials von Bedeutung. Kontrolliert man die Kristallisation von ZnO ausgehend von der molekularen Vorstufe Zinkacetat und einem organischen Templat lassen sich nämlich häufig beobachtete Verzwilligungen der gebildeten Kristallite unterbinden und es entstehen gezielt nahezu monodisperse, mikrometergroße Einkristalle von Zinkoxid die sich mittels Langmuir-Blodgett-Technik an flüssigen Grenzflächen in dichter und hoch geordneter Weise auf Substraten abscheiden.

Zinkoxid weist in seiner Wurtzit Struktur polarisierte Kristallflächen auf, die für das piezoelektrische Verhalten dieses Oxids verantwortlich sind. Dies bedeutet, dass im Kristall bei Ausübung eines mechanischen Stimulus eine elektrische Spannung erzeugt werden kann. Dies lässt sich für einzelne ZnO-Kristallite mittels piezoresponsiver Kraftmikroskopie nachweisen. Beobachtet wurde, dass der gemessene Piezokoeffizient u.a. stark abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Kristallite aber auch ihrer inneren Struktur ist. Verantwortlich dafür ist der während der Synthese beobachtete Einbau geringfügiger Spuren von Dotanten sowohl in die Oberfläche als auch in den Kristallverbund und der dadurch hervorgerufene Einfluß auf das piezolelektrische Verhalten. Nachweisen lässt sich der Einbau atomarer Dotierzentren u.a. über Elektronenspinresonanz-Experimente.

Die Arbeiten zu dieser Thematik aus der Gruppe von J.J. Schneider sind Teil eines größeren DFG-Projektes von sieben Forschergruppen das an der TU Darmstadt zum Verständnis und der Funktionalität mechanisch gesteuerter elektrischer Leitfähigkeit von Metalloxiden durchgeführt wird. Sie erscheinen im Juni in einer thematisch fokussierten Ausgabe von Chemistry – A European Journal . Es widmet sich der lösungsbasierten Erzeugung von Metalloxiden und deren funktionellen Eigenschaften.

Das inside cover des Journals Chemistry – A European Journal zeigt in abstrahierter Darstellung die angewendete Synthesemethode, ausgehend von molekularen Bausteinen zum Aufbau des ZnO, dessen geordnete hexagonale Assemblierung aus Lösung in Form hexagonaler Mikrokristallite und die Bestimmung der piezoelektrischen Konstante einzelner Kristallite mittels Kraftmikroskopie.

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