Mikroskopische Strukturuntersuchungen zum Verständnis der thermischen Stabilität von amorphen Kupfer-Germanium-Tellurid - Phasen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolf-Christian Pilgrim
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453205576

Zwei unterschiedlichen Gruppen amorpher Germanium-Kupfer-Telluride (GCT) wird aktuell großes Potential für mögliche technische Anwendungen attestiert. So zeigen die Zusammensetzungen Cux+yGe20-xTe80-y ((0≤x≤20, 0≤y≤10)) hervorragende thermoelektrische Eigenschaften während Mischungen der quasibinären Linie zwischen GeTe und CuTe im GCT-Phasendiagramm als Phasenwechselmaterialien (PCM) identifiziert wurden und als Kandidaten für nichtflüchtige digitale Datenspeicher im Gespräch sind. Die beiden Materialgruppen liegen im GCT-Phasendiagramm relativ dicht zusammen, dennoch beobachtet man ein grundlegend unterschiedliches Verhalten der thermischen Stabilität mit sich verändernder Cu-Konzentration. Während die Kristallisationstemperatur der Thermoelektrika (TE) bei Zugabe von Kupfer rasch sinkt, steigt sie bei den PCM deutlich an und nimmt erst bei hohem Cu-Gehalt wieder ab. Sie bleibt dabei aber immer höher als in den TE, bei denen eine hohe Kristallisationstemperatur, bzw. höhere thermische Stabilität, für technische Anwendungen wünschenswert wäre. Gründe für das unterschiedliche Verhalten beider Systeme sind bisher unbekannt. Überhaupt sind die Ursachen, welche Kristallisationstemperaturen bzw. thermischen Stabilitäten in Mehrkomponentengläsern bestimmen weitgehend ungeklärt, obwohl ein solches Verständnis für die Entwicklung technischer Gläser von großem Interesse ist, um Glas-Stabilitäten gezielt steuern zu können. An beiden Systemen wurde bisher nur jeweils eine Studie zur Strukturuntersuchung mittels EXAFS vorgenommen, jedoch bei völlig unterschiedlichen Cu-Konzentrationen. Daraus konnten lediglich Informationen über die chemische Nahordnung gewonnen werden, es ergaben sich keine nennenswerten Erkenntnisse zum Verständnis der thermische Stabilität oder anderer physikalischer Eigenschaften.Im beantragten Projekt wollen wir die Veränderung der mikroskopischen Strukturen beider Systeme systematisch mit steigendem Cu-Gehalt untersuchen. Dabei nutzen wir Anomale Synchrotron-Streuung in Verbindung mit Reverse-Monte-Carlos-Simulationen, wodurch Atomsorten-spezifische Strukturinformation im Bereich der chemischen Nahordnung aber auch darüber hinaus zugänglich wird. So können auch Strukturbeziehungen zwischen den chemischen Nahordnungen im Glas Charakterisiert werden. Es soll untersucht werden inwiefern solche Strukturbeziehungen bzw. daraus resultierende strukturelle Ähnlichkeit zum korrespondierenden Kristall die Stabilitäten amorpher Phasen beeinflussen. Darauf deuten Ergebnisse hin, die wir aus einer Studie an amorphen Ge-Sb-Te-Zusammensetzungen zuvor erhalten haben. Sollte dieser Zusammenhang auch bei den GCT-Systemen gefunden werden, wäre dies ein erster wichtiger Schritt in Richtung eines universellen Verständnisses zur thermischen Stabilität amorpher Mehrkomponentenphasen und somit auch für die gezielte Entwicklung neuer Materialien von großem Interesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen