Magnetokalorische und Elektrokalorische Effekte: Was kann man von epitaktischen Schichten lernen?

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Sebastian Fähler; Dr. Ruben Hühne
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226811039

Um eine bessere Umweltverträglichkeit von Kühlgeräten zu erreichen, werden neuartige, energieeffizientere Technologien benötigt. Ein vielversprechender Ansatz hierzu stellen diffusionslose Phasenübergängen in Festkörpern dar, die mit einer großen Entropieänderung verbunden sein können. In unserem Gemeinschaftsantrag untersuchen wir Materialien bei denen diese Phasenumwandlung durch äußere elektrische oder magnetische Felder kontrolliert werden können. Die entsprechenden elektrokalorischen oder magnetokalorischen Effekte führen zu einer Temperaturänderung. In der Form von dünnen Schichten können solche Werkstoffe als Mikrokühlsysteme in mikroelektronischen oder mikromechanischen Bauteilen integriert werden. Ziel unseres experimentellen Vorhabens ist es, die zugrundeliegenden Kühlmechanismen und die dabei auftretenden Hystereseverluste auf Gefügeebene zu identifizieren. Als Modellsystem verwenden wir epitaktische Schichten, an denen man gezielte statische als auch dynamische Untersuchungen durchführen kann. Dieser Gemeinschaftsantrag vereint dabei unsere Erfahrungen auf dem Gebiet epitaktischer Schichten aus magneto- und elektrokalorischen Materialien.Im Rahmen des Projektes soll das Gefüge mit Hilfe des adaptiven Konzeptes beschrieben werden, das von uns schon erfolgreich für magnetische Formgedächtnislegierungen angewandt wurde. Wir werden diesen Ansatz für die Beschreibung der Hystereseverluste während der zyklischen Feldänderung weiterentwickeln, da angenommen wird, dass diese Verluste eng mit Änderungen des martensitischen Gefüges verbunden sind. Der Phasenübergang, auf dem die kalorischen Effekte basieren, wird dabei sowohl mit hochauflösenden lokalen- als auch integralen Untersuchungsmethoden in enger Kooperation mit anderen Partnern im SPP untersucht. Weiterhin wird epitaktisches Wachstum genutzt, um die elastischen Spannungen in den Schichten zu kontrollieren und dadurch kalorische Eigenschaften zu modifizieren. Darauf aufbauend werden wir sogenannte multikalorische Effekte untersuchen, bei denen die Phasenumwandlung durch mehrere äußere Parameter kontrolliert wird. Der Schwerpunkt dieses Paketantrages liegt im Vergleich von elektro- und magnetokalorischen Materialien, was eine einheitliche Beschreibung der zugrundlegenden Prozesse ermöglichen soll. Diese Untersuchungen werden durch direkte und indirekte Messungen der Temperaturänderung während des Kühlzyklus ergänzt. Unsere Untersuchungen sollen helfen, die zentralen Mechanismen für eine effizientere Kühlung auf der Basis von diffusionslosen Phasenumwandlungen zu identifizieren. Somit legt diese Arbeit sowohl die Grundlage für effizientere Materialien als auch neuartige Kühlkonzepte.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1599: Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung