Forschung -

Dieses Material leitet Elektronen aber keine Wärme

Eine Studie des Berkeley Lab fand heraus, dass sich Vanadiumdioxid mehr und mehr als ein Regelbrecher qualifiziert und es sich potenziell für Anwendungen in der Thermoelektrik eignet.

Die Wissenschaftlergruppe vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der University of California, Berkeley stellte nämlich fest, dass die Elektronen in Vanadiumdioxid Elektrizität leiten können, ohne dass zugleich auch Wärme übertragen wird. Der Bericht erschien in 'Science'.

Für die meisten Metalle wird das Verhältnis zwischen elektrischer und thermischer Leitfähigkeit durch das Widemann-Franz-Gesetz festgelegt. Vereinfacht besagt das Gesetz, das gute elektrische Leiter auch Wärme gut leiten.

Das gilt aber nicht für das metallische Vanadiumdioxid, ein Material, das bereits für seine ungewöhnliche Eigenschaft bekannt ist, von einem Isolator zu einem Metall zu wechseln, sobald es 67 °C erreicht hat.

"Das war ein total unerwartetes Ergebnis", sagte Professor Junqiao Wu von der UC Berkeley. "Diese Entdeckung ist von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis von grundsätzlichen elektronischen Eigenschaften besonderer Leiter."

Im Verlauf ihrer Untersuchungen der Eigenschaften von Vanadiumdioxid konnten die Forscher mithilfe von Simulationen und Röntgenstrahl-Experimenten die Proportion der thermischen Leitfähigkeit bestimmen, die mit der Vibration des Kristallgitters vom Material (Phononen) und den Bewegungen der Elektronen zusammenhängt.

Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass die thermische Leitfähigkeit der Elektronen zehnmal kleiner ist, als die entsprechenden Hinweise durch das Widemann-Franz-Gesetz.

Wu: "Die Elektronen wanderten gemeinsam, fast wie eine Flüssigkeit und nicht wie individuelle Partikel wie in normalen Metallen. Für Elektronen ist Wärme eine ungeordnete Bewegung."

"Normale Metalle transportieren Wärme effizient, weil es derart viele unterschiedliche und mögliche mikroskopische Konfigurationen gibt, durch die die individuellen Elektronen springen können."

"Die koordinierte Bewegung (Marschkapelle) der Elektronen im Vanadiumdioxid ist dagegen abträglich für den Wärmetransfer, da es weniger Konfigurationen gibt, durch die die Elektronen springen können."

Es ist bemerkenswert, dass die Elektrizitätsmenge und Wärme, die Vanadiumdioxid leiten kann, abstimmbar ist, und zwar durch ein Mischen mit anderen Materialien.

Sobald die Wissenschaftler ein Einkristall aus Vanadiumdioxid mit dem Metall Wolfram dotierten, senkte sich die Phasenübergangstemperatur, bei der das Vanadiumdioxid metallisch wird.

Zur gleichen Zeit wurden die Elektronen in der metallischen Phase bessere Wärmeleiter. Dadurch konnten die Forscher mit unterschiedlichen Temperaturen für die Phasenumschaltung die jeweilige Wärmemenge bestimmen, die das Vanadiumdioxid abgeben kann.

Mit einem derartigen Material könnte man zum Beispiel die Wärme einer Maschine auffangen oder abgeben oder als Beschichtung eines Fensters benutzen, um die Energieeffizienz eines Gebäudes zu verbessern.

Vanadiumdioxid hat zudem die interessanten Eigenschaften, dass es unter etwa 30 °C lichtdurchlässig wird und über 60 °C Infrarotlicht absorbiert. Neben dem Vanadiumdioxid gibt es noch ein paar andere Materialien, die Elektrizität besser als Wärme leiten, aber sie tun es nur bei wesentlich tieferen Temperaturen.

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