Atome, die in ihren Käfigen schwingen

Zunächst aber lautet die wichtigste Frage: Wie lassen sich elektrische und thermische Leitfähigkeit möglichst un­abhängig voneinander beeinflussen? Immerhin liefert die Natur einen Ansatzpunkt für eine Antwort. Denn Wärme wird in einem Material nicht nur von den freien Elektronen transportiert, die auch beim Strom fließen. Diese Komponente der Wärmeleitfähigkeit steigt notgedrungen mit der elektrischen Leitfähigkeit an. Doch Wärme wird auch von Schallwellen weitergeleitet, oder in der Sprache der Wissenschaftler: von Phononen, die sich durch das Material fortpflanzen.

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Blick in ein Skutterudit mit Füllung: Die roten Kugeln stehen für Kobalt-, Rhodium- oder Iridiumatome, die blauen für... [mehr]

Blick in ein Skutterudit mit Füllung: Die roten Kugeln stehen für Kobalt-, Rhodium- oder Iridiumatome, die blauen für Phosphor, Arsen oder Antimon. In den Hohlräumen des Gerüsts finden Calcium- oder Barium­atome (gelb) Platz. In Grau sind oktaedrische Strukturelemente angedeutet. [weniger]

Blick in ein Skutterudit mit Füllung: Die roten Kugeln stehen für Kobalt-, Rhodium- oder Iridiumatome, die blauen für Phosphor, Arsen oder Antimon. In den Hohlräumen des Gerüsts finden Calcium- oder Barium­atome (gelb) Platz. In Grau sind oktaedrische Strukturelemente angedeutet.

© MPI für chemische Physik fester Stoffe, Scientific Report 2009

© MPI für chemische Physik fester Stoffe, Scientific Report 2009

Die Phononen zu absorbieren erlaubt es, die thermische Leitfähigkeit zu senken, ohne die elektrische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. „Wir haben herausgefunden, dass dies in Materialien möglich ist, in denen sowohl kovalente als auch ionische Bindungen vorkommen“, erklärt Grin. So wie bei den intermetallischen Clathraten und gefüllten Skutteruditen.

In den Clathraten etwa verknüpfen kovalente Bindungen die meisten Atome einer oder mehrerer Sorten von Elementen zu einem Gitter: Fußballähnliche Polyeder, die aus Fünf- oder Sechsecken bestehen, stapeln sich darin zu einer filigranen Struktur. Die Hohlräume des Gitters beherbergen Ionen eines anderen Elements. Wie in einem Käfig sitzen die geladenen Teilchen, festgehalten durch das elektrische Feld des Clathrat-Gitters. Sie sind also ionisch gebunden.

Das Gitter der kovalent gebundenen Atome und die Ionen in den Käfigen übernehmen jeweils unterschiedliche Aufgaben. Während die Wände den elektrischen Strom leiten, absorbiert das Ion im Käfig Schwingungen oder Phononen, die durch das Kristallgitter laufen. Trifft nämlich ein Phonon auf den Käfig, wird das Ion aus seiner stabilsten Lage in der Mitte des Käfigs ausgelenkt. Durch diesen Anstoß beginnt es in seinem Käfig zu schwingen wie eine Kugel in einer Kinderrassel. Bildhaft kann man sich vorstellen, dass das schwingende Ion die Energie des Phonons aufnimmt, wie eine schwere Metallkugel unter einem Wolkenkratzer bei einem Erdbeben die Schwingungen des Gebäudes absorbiert.

Physikalisch etwas genauer gefasst, regt Wärme das Gitter der kovalent gebundenen Atome und die eingeschlossenen Ionen zu Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen an. Die beiden Schwingungen dämpfen sich gegenseitig, sodass die Wärme auf diesem Weg nicht gut geleitet wird. Dieser Mechanismus lässt sich verstärken, ohne dadurch die elektrische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.

Genau das ist Juri Grin und seinen Mitarbeitern gelungen. Sie haben sowohl Clathrate als auch Skutterudite unterschiedlicher Zusammensetzung synthetisiert und auf ihre Tauglichkeit als Thermoelektrikum getestet. Dabei stochern sie nicht wahllos in der schier endlosen Menge möglicher chemischer Zusammensetzungen herum. Vielmehr berechnen die Forscher mithilfe quantenchemischer Modelle zunächst, welche chemischen Bindungsverhältnisse in einer Verbindung herrschen. „In den Rechnungen variieren wir die chemische Zusammensetzung, die Anordnung der Atome und die Kristallstruktur“, erklärt Juri Grin.