Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Peter Woias, Mikrosystemtechniker und Mitglied des Exzellenzclusters livMatS der Universität Freiburg, und um die Physikerin Prof. Dr. Saskia F. Fischer von der Humboldt-Universität zu Berlin hat den Helmholtz-Preis 2020 in der Rubrik „Anwendungen“ erhalten. Der Helmholtz-Fonds würdigt damit die Arbeit des Teams zur messtechnischen Charakterisierung von Nanomaterialien, insbesondere von thermoelektrischen Eigenschaften von einzelnen Nanodrähten. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, ein standardisierbares Verfahren für solche Messungen zu entwickeln. In der Wissenschaft vom exakten Messen, der Metrologie, gilt der Helmholtz-Preis als eine der international bedeutendsten Auszeichnungen. Er ist mit jeweils 20.000 Euro in den Kategorien „Grundlagen“ und „Anwendungen“ dotiert.
Materialien mit Strukturabmessungen im Nanometer-Bereich haben oftmals andere Eigenschaften als die in der Zusammensetzung identischen makroskopischen Werkstoffe. Denn auf der Nanoebene spielen nicht nur die Art eines Werkstoffs, also seine atomare Zusammensetzung, eine bedeutende Rolle. Auch die Strukturabmessungen des Materials, seine Kristallinität und die Beschaffenheit seiner Oberflächen sind entscheidend für die späteren Merkmale. Dies ermöglicht, die Eigenschaften von Nanomaterialien mithilfe der Formgebung maßzuschneidern. Umso wichtiger ist es, relevante Materialparameter an sehr kleinen Nanostrukturen genau und zuverlässig zu messen – was die Metrologie vor eine große Herausforderung stellt.
Das Forschungsteam stellt in seiner Arbeit standardisierbare Präzisionsmessungen der thermoelektrischen Eigenschaften von Nanodrähten vor. Die entwickelten Messmethoden lassen sich von ihrem Modellsystem, nämlich Drähten aus Silber mit Durchmessern im Bereich von 100 Nanometern und einer kristallinen Struktur, auf andere Nanodrähte, andere Nanostrukturen und auf weitere Parameter ausweiten.
Hierfür hat das Forschungsteam um Woias eine neuartige Messplattform für Nanodrähte entwickelt. Auf diesem Silizium-Mikrosystem lassen sich einzelne Nanodrähte montieren sowie elektrisch und thermisch untersuchen. Die Arbeitsgruppe um Fischer hat diese Plattform eingesetzt, um Silber-Nanodrähte bezüglich ihrer thermoelektrischen Eigenschaften zu charakterisieren – und dies in einem Bereich von der Raumtemperatur bis zu ultrakalten Temperaturen.
Damit hat das interdisziplinäre Forschungsteam aus Freiburg und Berlin den Nachweis erbracht, dass Hochpräzisionsmessungen für die vollständige thermoelektrische Charakterisierung, also für die Messung von elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten, auch bei metallischen Nanomaterialien in standardisierter Weise über einen großen Temperaturbereich möglich sind. Das Team hat seine Ergebnisse in "Scientific Reports" veröffentlicht.
Die Arbeiten der Wissenschaftler haben im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1386 der Deutschen Forschungsgemeinschaft stattgefunden.
Originalpublikation:
M. Kockert, D. Kojda, R. Mitdank, A. Mogilatenko, Z. Wang, J. Ruhhammer, M. Kroener, P. Woias, S. F. Fischer: Nanometrology: Absolute Seebeck coefficient of individual silver nanowires. Scientific Reports 9, 20265 (2019).