Empfindliches Strom-Sandwich

Ein schlichtes Materialsandwich ändert seinen elektrischen Widerstand unter Belastung stärker als alle anderen bekannten Materialien. Das haben Physiker aus Frankreich, der Schweiz und England entdeckt. In dem von ihnen studierten Bauteil gelangt der elektrische Strom umso leichter auf eine metallene “Autobahn”, je weniger stark der aus einem Halbleiter bestehende “Zubringer” gedehnt wird.

Foto: Omegatron/Wikimedia

Als Folge steigt der elektrische Widerstand des Systems mit der darauf ausgeübten Zugbelastung, beobachteten die Forscher um Alistair Rowe von der École Polytechnique im französischen Palaiseau. Besonders stark ist der Effekt, wenn der “Zubringer”, eine dünne Schicht Silizium, so ausgelegt ist, dass der Strom im ungedehnten Zustand gerade eben auf die “Autobahn” aus Aluminium kommt.

Elektrische Dehnungsmesser werden bereits in den verschiedensten Waagen eingesetzt, kommen aber auch bei der Überwachung von Stahlträgern und anderen Bauteilen zum Einsatz. Mit Abmessungen von wenigen Tausendstel Millimetern könnte das Silizium-Aluminium-Sandwich eine ähnliche Funktion in mechanischen Systemen von der Größe eines Sandkorns erfüllen, schreiben Rowe und Kollegen im Fachblatt “Physical Review Letters”.

Die Forscher brachten Elektroden an einer Seite eines Siliziumstreifens an und beschichteten die andere Seite mit Aluminium. Erwartungsgemäß floss der Strom umso leichter durch das Sandwich, je dünner der Halbleiterstreifen war, denn umso leichter konnten die Elektronen in das Metall übertreten. Umgekehrt stieg der elektrische Widerstand, wenn das Sandwich einer Zugbelastung quer zu seinen beiden Schichten ausgesetzt wurde. Besonders stark tat er das, wenn der Siliziumstreifen etwa 5 Mikrometer dick war. In diesem Fall stieg der Widerstand um den Faktor 843 bei einer - rein rechnerischen - Dehnung um 100 Prozent.

Mit einem einfachen Modell konnten Rowe und Kollegen dieses Phänomen nachvollziehen. Bei einer Silizium-Schichtdicke von 5 Mikrometern konnte der Strom demnach gerade eben in das Aluminium mit seinem geringen elektrischen Widerstand gelangen. Selbst eine geringe Dehnung verbaute ihm diese Route, sodass der hohe Widerstand des Siliziums voll zum Tragen kam.

“Dieser Effekt sollte nicht auf Kombinationen von Silizium und Aluminium beschränkt sein”, betonen die Forscher. Und auch über die Gestalt und Anordnung der Materialschichten lasse sich die Widerstandsänderung wohl noch weiter steigern. “Es ist unwahrscheinlich, dass die einfache rechteckige Geometrie, wie wir sie untersucht haben, bereits optimal für das Erzielen eines maximalen piezoresistiven Effekt ist.”

Forschung: Alistair C.H. Rowe, Physique de la Matière Condensée, École Polytechnique, CNRS, Palaiseau; Christoph Renner, Département de Physique de la Matière Condensée, Université de Genève; und andere

Veröffentlichung Physical Review Letters, Vol. 100, Artikel 145501, DOI 10.1103/PhysRevLett.100.145501; Preprint arXiv:0803.0655

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