Physik

Wenn Wasser gefriert, bildet sich das Eis zunächst in „Keimen“ – winzigen Keimkristallen, die wachsen oder schrumpfen und nur überleben können, wenn sie eine Mindestgröße erreichen – zumindest nach der Lehrbuchtheorie. Forscher haben nun gezeigt, dass dieses Verständnis auch für einen komplizierteren Phasenübergang in Vanadiumdioxid (VO2) gilt, einem Material, dessen elektrische Eigenschaften und Kristallstruktur sich bei seinem sogenannten Metall-zu-Isolator-Phasenübergang ändern [1]. Das Team maß die Schwellengröße für die „Keime“, die diesen Übergang vorantreiben, und demonstrierte eine neue Technik zur Untersuchung von Kristallstrukturübergängen. Das Ergebnis legt nahe, dass die klassische Nukleationstheorie für eine Reihe von Materialien gilt, die in Bereichen wie Katalyse, Laser sowie Legierungs- und Keramikherstellung wichtig sind.

Stellen Sie einen Eimer mit gereinigtem Wasser in eine Umgebung mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, und es beginnen sich winzige Eiskörner zu bilden. Viele werden sich schnell auflösen, aber diejenigen, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, wachsen und verschmelzen schließlich zu einem einzigen Eisblock. Diese mit der klassischen Keimbildungstheorie verbundene Ansicht der Kristallisation wurde für den Wasser-Eis-Übergang gut akzeptiert. Junqiao Wu von der University of California in Berkeley und seine Kollegen wollten testen, ob das gleiche Keimbildungsphänomen auch bei VO2 auftritt, wenn es von einer Kristallstruktur in eine andere übergeht.

VO2 wird in Oberflächenbeschichtungen, Sensoren und Bildgebungssystemen verwendet. Oberhalb von 340 K handelt es sich um ein Metall, das heißt, es ist ein guter elektrischer Leiter. Bei Raumtemperatur wird es zum Isolator (Nichtleiter). Dieser Metall-zu-Isolator-Übergang (MIT) geht mit einer Veränderung der Kristallstruktur des Materials einher und weist einige Eigenheiten auf, die an den Wasser-zu-Eis-Übergang erinnern. Wenn das Material beispielsweise rein genug ist, kann VO2 „unterkühlt“ werden und bei Temperaturen, bei denen es normalerweise isolierend ist, metallisch bleiben. Wasser kann auch unter seinen Gefrierpunkt unterkühlt werden.

Forscher haben bereits Hinweise darauf gesehen, dass VO2 und ähnliche Materialien Phasenübergänge auf die gleiche Weise auslösen wie Wasser, aber sie hatten keine direkten Beweise. Um diese Möglichkeit zu untersuchen, entwickelten Wu und seine Kollegen eine Methode, um „Keimbildungskeime“ – winzige Regionen, die Phasenübergänge auslösen können – innerhalb des Metalls zu platzieren und den Keimbildungsprozess zu steuern.

Zunächst stellten die Forscher eine Reihe reiner, einkristalliner, metallischer VO2-Drähte mit Querschnitten von etwa 100 × 250 Quadratnanometern (nm2) und Längen von etwa 50 Mikrometern her. Für jedes Experiment hängten sie einen der Drähte über ein Paar paralleler Elektrodenkämme, sodass der Draht nur an seinen Enden gestützt wurde. Anschließend bestrahlte das Team die Enden des Drahtes mit Heliumionen. Diese Bestrahlung beschädigte die Enden auf eine Weise, die verhinderte, dass der Kontakt mit den Elektroden eine unerwünschte Keimbildung auslöste, und schuf so „ein ideales Saatbett zum Pflanzen und Züchten von [Keimbildungs-]Samen“, sagt Wu. Sie bestrahlten außerdem eine Reihe von Streifen über den Draht, um acht separate, „abgeschirmte“ Segmente zu erzeugen. Das Team nutzte einen fokussierten Galliumionenstrahl, um die Kristallstruktur zu verzerren und in jedem Segment einen Keimbildungskeim zu erzeugen. Die Samen hatten einen Durchmesser von 10 nm bis 180 nm und das Team überwachte ihre Auswirkungen auf den Phasenübergang des Drahtes mit einem optischen Mikroskop.

Als die Forscher den Draht unter die normale Phasenübergangstemperatur von VO2 abkühlten, löste jeder Samen schließlich einen Phasenübergang in seinem Segment aus – je kleiner der Samen, desto niedriger die Übergangstemperatur. Das Team stellte fest, dass eine Mindestkeimgröße von mehreren zehn Nanometern erforderlich war, damit das MIT stattfinden konnte (wobei der genaue Wert von den Details der Samenerzeugung abhängt). Alle Ergebnisse stimmten mit den Vorhersagen der klassischen Keimbildungstheorie überein.

Wu sagt, dass die Ergebnisse darauf hindeuten, dass das MIT von VO2 durch Nukleation gesteuert wird und dass Forscher möglicherweise besser untersuchte Materialien nutzen könnten, um weitere Einblicke in das MIT zu gewinnen. „Es gibt etwas Universelles, das diese Phänomene beherrscht“, sagt er. Er glaubt auch, dass die Ergebnisse einen Weg zur Entwicklung von Materialien mit gut kontrollierten Phasenübergängen bieten, die den Einsatz von VO2 sowohl in Anwendungen als auch in Grundlagenforschungsstudien verbessern könnten. „Das von uns nachgewiesene stark unterkühlte VO2 ist ein idealer Prüfstand für zukünftige Untersuchungen“, sagt Wu.

Die Bestätigung, dass die klassische Nukleationstheorie für den Kristall-zu-Kristall-Übergang in VO2 gültig ist, ist sowohl „wichtig“ als auch „aufregend“, sagt Volker Eyert, Materialwissenschaftler bei Materials Design, Inc. in Frankreich. Die Ergebnisse entmystifizieren diesen spezifischen Phasenübergang und legen nahe, dass Standardtheorien auf Phasenübergänge in anderen Materialien anwendbar sein könnten, fügt er hinzu.

–Katherine Wright

Katherine Wright ist stellvertretende Herausgeberin des Physics Magazine.

Lei Jin, Yin Shi, Frances I. Allen, Long-Qing Chen und Junqiao Wu

Physik. Rev. Lett. 129, 245701 (2022)

Veröffentlicht am 5. Dezember 2022

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