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Ausschnitt aus der atomaren Struktur eines aus Aluminium (grau), Kupfer (rot) und Eisen (grün) bestehenden Quasikristalls. Aus dieser Perspektive besitzt der Quasikristall eine zehnzählige Symmetrie bezüglich Drehungen.


Natürliche Quasikristalle sind eine Rarität. Von dem einzigen bisher bekannten Exemplar nimmt man an, dass es in einem Meteoriten zur Erde gelangte. Neue Funde untermauern diese Hypothese nun.



Christian Speicher

Als der Materialwissenschafter Dan Shechtman vom Technion in Haifa 1982 in einer rasch abgekühlten Aluminium-Mangan-Legierung auf Kristalle stiess, deren fünfzählige Symmetrie nicht mit einer periodischen Struktur in Einklang zu bringen war, musste er sich spöttische Kommentare gefallen lassen (siehe Interview). Denn eine sich periodisch wiederholende Anordnung von Atomen galt damals als das Wesensmerkmal von Kristallen. Heute ist die Existenz von Kristallen mit quasiperiodischer Ordnung allgemein akzeptiert. Genauso wie periodische Metallkristalle können Quasikristalle unter geeigneten Bedingungen beliebig gross gezüchtet werden. Umso erstaunlicher ist es, dass man lange Zeit vergeblich nach natürlichen Quasikristallen auf der Erde gesucht hat. Erst in den letzten Jahren hat sich das Blatt gewendet. Kurioserweise stammen die im Fernen Osten Russlands entdeckten Exemplare aus einer Zeit, als unser Sonnensystem gerade erst im Entstehen begriffen war.

Zweifel an Stabilität

Die treibende Kraft hinter der Suche nach natürlichen Quasikristallen ist der theoretische Physiker Paul Steinhardt von der Princeton University. Steinhardt ist nicht nur ein weltweit anerkannter Kosmologe, er war auch derjenige, der im Jahr 1984 – nur wenige Wochen nach der ersten Publikation von Shechtman – den Begriff «Quasikristall» prägte und eine Theorie dieser neuartigen Materialien vorlegte. Damals war die Ansicht verbreitet, Quasikristalle seien metastabile Zustände der Materie, die bei tiefen Temperaturen in einen stabileren Zustand mit periodischer Ordnung übergehen sollten. Das habe seiner Theorie widersprochen, sagt Steinhardt. Mit der Suche nach natürlichen Quasikristallen habe er zeigen wollen, dass diese trotz ihrer komplexen Ordnung stabil sein können.

Eine erste Suchaktion, bei der die Mineraliensammlungen verschiedener Museen durchforstet wurden, erwies sich als ergebnislos. Im Jahr 1999 packte Steinhardt die Sache jedoch systematisch an. Er stützte sich dabei auf eine Datenbank, in der die Beugungsmuster von Tausenden von Mineralien gespeichert sind. Die Idee bestand darin, anhand bestimmter Merkmale im Beugungsmuster Mineralien zu identifizieren, bei denen es sich um Quasikristalle handeln könnte.

Auch das brachte zunächst keinen Erfolg. Immerhin wurde aber das Interesse von Luca Bindi von der Universität Florenz geweckt. Im naturhistorischen Museum der Universität stellte Bindi eigene Nachforschungen an. In einer Gesteinsprobe, die das Museum im Jahr 1990 erworben hatte, stiess er auf winzige Einschlüsse eines Minerals, das von der Zusammensetzung her im Labor hergestellten Quasikristallen ähnelte. Eine elektronenmikroskopische Untersuchung offenbarte, dass es sich um ein quasikristallines Mineral aus Aluminium, Kupfer und Eisen handelte, das die fünfzählige Symmetrie eines Ikosaeders besass. Das Mineral wurde deshalb von Steinhardt und Bindi auf den Namen Ikosahedrit getauft. Inzwischen ist es als der erste natürliche Quasikristall anerkannt.

Produkt einer Kollision?

Damit war allerdings noch nichts über die Herkunft und die Entstehungsgeschichte dieses Minerals bekannt. In den vergangenen Jahren ist es Steinhardt und Bindi in Zusammenarbeit mit anderen Forschern gelungen, diese zumindest ansatzweise zu rekonstruieren. So zeugt die Existenz von Stishovit, einer Hochdruckmodifikation von Quarz, davon, dass bei der Entstehung des Quasikristalls ein gewaltiger Druck im Spiel gewesen sein muss. Solche Verhältnisse trifft man entweder tief im Erdmantel an oder wenn Gesteinskörper im Weltall mit hoher Geschwindigkeit kollidieren.

Das in Silikaten und anderen Mineralien des Gesteins gemessene Verhältnis verschiedener Sauerstoffisotope spricht für einen extraterrestrischen Ursprung. Ähnliche Isotopenverhältnisse findet man nämlich auch in gewissen Steinmeteoriten, die sich seit ihrer Entstehung im solaren Urnebel nur geringfügig verändert haben. In einer im Januar in den «Proceedings of the National Academy of Sciences» veröffentlichten Arbeit zogen Steinhardt und seine Mitarbeiter deshalb den Schluss, dass der Ikosahedrit Teil eines Meteoriten ist, der vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet wurde. Darin sehen die Forscher einen Beleg für die Stabilität der Quasikristalle.

Von dieser Schlussfolgerung ist Walter Steurer vom Laboratorium für Kristallographie der ETH Zürich allerdings nicht überzeugt. Er weist darauf hin, dass selbst ein Alter von 4,5 Milliarden Jahren noch kein Beweis für die Stabilität eines Quasikristalls sei. Dass dieser noch nicht in einen stabileren Zustand übergegangen sei, könne auch daran liegen, dass seit der Entstehung noch nicht die dafür nötigen Bedingungen erreicht worden seien. Solange man die thermische Vorgeschichte des Meteoriten nicht kenne, so Steurers Fazit, werde man nichts darüber lernen, ob Quasikristalle auch bei sehr tiefen Temperaturen thermodynamisch stabil sein können. Viel interessanter findet Steurer, dass der Quasikristall so lange überleben konnte, ohne zu oxidieren. Für eine intermetallische Verbindung, die leicht oxidierbares Aluminium enthalte, sei das aussergewöhnlich. Das habe aber nichts mit der Quasiperiodizität des Quasikristalls zu tun.

Auch Steinhardt sieht weiteren Forschungsbedarf. Für eine eingehendere Untersuchung der Entstehungsgeschichte seien die quasikristallinen Einschlüsse in dem Gestein zu klein. Auch wisse man nichts über die geologischen Verhältnisse am Fundort. In Steinhardt und Bindi reifte deshalb schon vor einigen Jahren der Entschluss, an den Fundort zurückzukehren und dort nach weiteren natürlichen Quasikristallen zu suchen. Das war allerdings leichter gesagt als getan. Es kostete die Forscher anderthalb Jahre, die abenteuerlichen Wege zurückzuverfolgen, auf denen die Gesteinsprobe ins Museum von Florenz gelangt war. Schliesslich gelang es ihnen, den Finder ausfindig zu machen, der das Gestein 1979 auf der Kamtschatka-Halbinsel im äussersten Osten Russlands geborgen hatte.

Rückkehr nach 30 Jahren

Nachdem diese Hürde genommen worden war, machte sich Steinhardt daran, eine internationale Expedition auf die Beine zu stellen. Auch Valery Kryachko, der ursprüngliche Entdecker, war mit von der Partie, als sich die Truppe im Juli 2011 auf den Weg machte. Die Aussicht auf Erfolg habe er als sehr gering eingeschätzt, gesteht Steinhardt. Man müsse schon einen gewissen Fanatismus mitbringen, um sich auf ein solches Abenteuer einzulassen.

Die Hartnäckigkeit scheint sich bezahlt gemacht zu haben. Man habe mindestens neun weitere Ikosahedrit-Körnchen gefunden, sagt Steinhardt. Diese seien teilweise deutlich grösser als die bisher bekannten. Über weitergehende Resultate möchte Steinhardt nicht reden, solange diese nicht veröffentlicht sind. In einem kürzlich publizierten Übersichtsartikel haben er und Bindi allerdings durchblicken lassen, dass die Meteoriten-Hypothese durch die neuen Funde gestärkt werde.

Steurer rechnet nicht damit, dass die Untersuchung neue Erkenntnisse über Quasikristalle bringen werde. Steinhardt stellt hingegen weitere Überraschungen in Aussicht. Dabei geht es ihm nicht nur um die Entstehungsgeschichte der natürlichen Quasikristalle. Mindestens ebenso interessant ist in seinen Augen, was diese über die Entstehungsgeschichte des Sonnensystems verraten.



Aus : http://www.nzz.ch/wissen/wissenschaft/nicht-von-dieser-welt-1.17621992#

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Ein hochgezüchteter Transistor aus Graphen


Hohe Schaltgeschwindigkeit dank schonendem Herstellungsverfahren


Christian Speicher ⋅ Über Silizium lässt sich viel Gutes sagen. Nicht umsonst ist es das bevorzugte Material der Halbleiterindustrie. Zu wünschen übrig lässt allerdings die geringe Mobilität seiner Elektronen. Sie ist der Grund dafür, dass Silizium-Transistoren nicht besonders schnell sind. Dort, wo hohe Arbeitsfrequenzen gefragt sind – etwa bei der Verstärkung von hochfrequenten Signalen in der drahtlosen Kommunikation –, setzt man deshalb auf Halbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid, die sich durch eine hohe Beweglichkeit ihrer Elektronen auszeichnen. Den Konkurrenten des Siliziums sitzt allerdings selbst ein Konkurrent im Nacken. Forscher der University of California in Los Angeles (UCLA) haben einen Transistor aus Graphen vorgestellt, der den schnellsten Transistoren in nichts nachsteht.¹

Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Atomlage Grafit besteht. Vor sechs Jahren war es Forschern erstmals gelungen, Graphen-Flocken mit einem Klebeband von einem Grafit-Block abzuziehen und sie auf eine Unterlage zu übertragen. Bei der Untersuchung der Flocken stellte sich bald heraus, welche vorzüglichen Eigenschaften Graphen besitzt. So weckte die hohe Mobilität seiner Ladungsträger die Hoffnung, ultraschnelle Transistoren bauen zu können.

Tatsächlich wurde schon 2007 der erste Graphen-Transistor vorgestellt. Danach ging es Schlag auf Schlag. Ende 2008 gab es bereits den ersten Transistor, der im Gigahertz-Bereich operierte. Anfang dieses Jahres knackten Phaedon Avouris und seine Mitarbeiter vom Watson Research Center der IBM in New York die 100-Gigahertz-Marke.

Der Graphen-Transistor von Xiangfeng Duan und seinen Mitarbeitern von der UCLA bricht nun auch diesen Rekord. Seine Grenzfrequenz – das ist die Frequenz der Signale, die der Transistor gerade noch verstärken kann – beträgt 300 Gigahertz. Damit ist er ebenso schnell wie vergleichbare Transistoren aus Galliumarsenid und Indiumphosphid. Wenn man bedenke, dass der erste Graphen-Transistor erst vor drei Jahren hergestellt worden sei, sei das ein bemerkenswertes Ergebnis, findet Frank Schwierz von der Technischen Universität Ilmenau. Transistoren aus Galliumarsenid und Indiumphosphid hätten für die gleiche Entwicklung fast drei Jahrzehnte benötigt.

Der Schlüssel zum Erfolg ist die spezielle Herstellungsmethode, die die Forscher der UCLA gewählt haben. Die lithografischen Verfahren, mit denen die Halbleiterindustrie üblicherweise Transistoren fabriziert, lassen sich zwar im Prinzip auf Graphen übertragen. Da Graphen aber so dünn ist, kommt es häufig zu Defekten, die die vorzüglichen Eigenschaften des Materials teilweise zunichtemachen.

Die Forscher liessen sich deshalb etwas anderes einfallen. Sie stellten zunächst Nanodrähte mit einem leitfähigen Kern und einem isolierenden Mantel her und placierten diese auf der Graphen-Schicht. Anschliessend wurde eine dünne Schicht aus Platin auf dem Graphen abgeschieden. Durch den nur 140 Nanometer dicken Nanodraht wurde die durchgehende Platin-Schicht unterbrochen. So entstanden zwei getrennte Bereiche, die zwei der Elektroden des Transistors formten. Der Nanodraht selbst bildete die dritte Elektrode, durch die der Stromfluss in der darunterliegenden Graphen-Schicht gesteuert werden kann. Die Forscher konnten sich davon überzeugen, dass die Mobilität der Ladungsträger in Graphen durch diese Art der Herstellung tatsächlich kaum beeinträchtigt wird.

Schwierz sieht in der Arbeit der kalifornischen Forscher einen grossen Fortschritt. Allerdings besteht für ihn noch kein Grund zur Euphorie. Das neue Herstellungsverfahren sei zwar für den einzelnen Transistor optimal. Er befürchte jedoch, dass es weniger geeignet sei, um eine grosse Anzahl von Transistoren zu fabrizieren. Avouris teilt diese Zweifel. In seinen Augen führt kein Weg an den bewährten lithografischen Methoden der Halbleiterindustrie vorbei, wenn man integrierte Schaltungen aus Graphen fertigen wolle.

¹ Nature, Online-Publikation vom 1. September 2010.


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