Vanadiumdioxid: „Göttliches“ Material für genügsame Elektronik

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Von den einzigartigen Eigenschaften eines altbekannten Materials könnte zukünftige Low-Power-Elektronik profitieren. Die letzten Geheimnisse soll nun ein EU-Projekt mit hochkarätiger Beteiligung lüften.

Am Anfang war das Wort. Dann kam der Schalter. Danach der Transistor. Jetzt könnte eine weitere Innovation die elektronische Schöpfungsgeschichte fortschreiben. Vanadiumdioxid (VO2) – benannt nach der nordischen Gottheit Vanadis – soll die Kontrolle über den Elektronenfluss übernehmen. VO2 ist seit langem für seine einzigartigen Eigenschaften bekannt. Bei Raumtemperatur durchsichtig und elektrisch isolierend, verwandelt sich der Kristall ab einer Temperatur von 68 °C schlagartig in einen lichtreflektierenden, elektrischen Leiter. Dieser sogenannte „Metall-Isolator-Übergang“ wird ausgiebig untersucht, da er neben extrem schneller auch sehr energieeffiziente Elektronik verspricht. Und die ist nötiger als man denkt. Denn allein die bis 2025 zig Milliarden IoT-Geräte werden mit der heutigen Technologie etwa 20 Prozent der gesamten Energie unseres Erdballs verbrauchen.

Vanadiumdioxid als Klimaanlage (Bild: Hohenstein Institute).
Vanadiumdioxid kommt schon länger auch als „intelligente“ Glas- oder Rollobeschichtung zum Einsatz. Nach dem Phasenübergang – ausgelöst durch die Sonneneinstrahlung – reflektiert es den „warmen“, infraroten Anteil des Lichts. (Bild: Hohenstein Institute).

Phase-Change Switch“ nennt sich nun ein EU-Projekt, welches das Geheimnis um die schon lange bekannten Eigenschaften von VO2 endlich lüften soll. Mit dabei sind neben Wissenschaftlern der Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL), Thales aus Frankreich, IBM Research, die Max-Planck-Gesellschaft, die Cambridge University und die Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO GmbH).

Ordnung ist nicht alles

Es zeigte sich, dass die Atomstruktur von VO2 bei Temperaturen über 68 Grad Celsius von einem geordneten Kristallgitter in eine ungeordnete metallische umschlägt. Und das in weniger als einer Nanosekunde. VO2 ist aber auch anderen Einflüssen gegenüber aufgeschlossen. So ändert es seine Struktur auch beim Anlegen einer elektrischen Spannung, beim Bestrahlen mit Licht oder unter Einfluss von Terahertz-Wellen.

Einen Haken hatten die wunderbaren Eigenschaften von Vanadiumdioxid bislang allerdings. Die „Verwandlungstemperatur“ von 68 Grad Celsius ist zu niedrig für elektronische Schaltkreise, die bis zu Temperaturen von 100 Grad Celsius funktionieren müssen. Die Lösung des Problems kam von zwei EPFL-Forschern. Durch Zugabe einer bestimmten Menge Germanium konnte die Phasenwechseltemperatur auf 100 Grad Celsius angehoben werden. Eine andere Methode wandten Wissenschaftler der Universität Jena vor etwa zwei Jahren an. Sie steuerten durch Ionenbeschuss die Umwandlungstemperaturen an beliebigen Stellen eines VO2-Kristalls mit einer Genauigkeit von etwa 20 Nanometern.

Vanadiumdioxid in autonomen Fahrzeugen

Die Forscher vom EPFL konnten zum ersten Mal mit Vanadiumdioxid und Phase-Change-Switches ultrakompakte Frequenzfilter – modulierbar zwischen 28.2 and 35 GHz – für ein Weltraumkommunikationssystem herstellen. Daneben sehen sie das Material mit seinen außergewöhnlichen Schalteigenschaften aber auch in neuromorphen Computersystemen für Anwendungen im Bereich der Künstlichen Intelligenz und in selbstfahrenden Automobilen.

Knowledge Base

MPG: Wie in einem Ultrahochgeschwindigkeitsfilm lässt sich ein Phasenübergang im Atomgitter verfolgen

Uni Jena: Selbstveränderliche Materialien eröffnen neue Wege zu hochentwickelten optischen Technologien

 

 

 

Vanadiumdioxid Bild EPFL

Der Verwandlungskünstler Vanadiumdioxid kratzt am Siliziumthron. (Bild: EPFL).