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Materialforschung

Kantiges Kupfer

Offenbar ist die Oberfläche vieler Metallfilme nicht glatt. Glättung dieser Nanostrukturen könnte helfen, die Leitfähigkeit elektrischer Geräte zu verbessern.
Kupfer

Die vermeintlich glatte Oberfläche von Kupfer ist weit unregelmäßiger, als Wissenschaftler bisher annahmen. Von mikroskopisch kleinen Kratern, Kanten und Tälern berichten Forscher um Xiaopu Zhang vom irischen Trinity College Dublin in einer in "Science" erschienenen Studie. Diese entstehen zwischen angrenzenden Bereichen mit unterschiedlicher Orientierung des Kristallgitters, den so genannten Körnern. Sie schmiegen sich nicht – wie bislang vermutet – passend aneinander, sondern sind gegeneinandergeneigt und verkantet. Insbesondere dünne Metallfilme, aus denen beispielsweise elektrische Kontakte bestehen, besitzen demnach eine unerwartet raue Oberfläche. Womöglich ließe sich die Leitfähigkeit der Materialien erhöhen, indem man die Unebenheiten glättet, so die Arbeitsgruppe.

Das Team untersuchte 20 bis 50 Nanometer dünne Kupferfilme mit einem Rastertunnelmikroskop, das Unebenheiten bis auf einen milliardstel Millimeter sichtbar macht. Dieses kann die dreidimensionale äußere Struktur eines Materials sehr genau auflösen. Dabei entdeckten die Forscher, dass die Oberfläche stets kantige Erhebungen und Vertiefungen aufwies. Die Wissenschaftler machen Fehlstellen in der kristallinen Struktur der Körner für den unerwarteten Effekt verantwortlich. Solche Fehlstellen sind immer vorhanden, da ein perfektes Kristallgitter nicht existiert. Die Energie eines Korns hängt dann davon ab, wie das Gitter ausgerichtet ist: Angrenzende Körner können sich, abhängig von der Fehlstelle, abstoßen oder anziehen. Die Wissenschaftler fanden nun heraus: Es ist für die einzelnen Körner in Kupferfilmen energetisch günstiger, wenn sie gegenüber dem Nachbar etwas verdreht oder verkippt sind, statt glatt an ihm anzuliegen.

Viele andere Metalle, wie beispielsweise Gold und Silber, haben ähnliche kristalline Eigenschaften wie Kupfer. Darum folgern die Physiker, es sei unmöglich, vollkommen glatte Nanofilme aus diesen Materialien zu erzeugen. Aber: Die Oberflächenstruktur von Nanomaterialien beeinflusst deren elektrische Eigenschaften; eine größere Oberfläche führt dazu, dass sie schlechter Strom leiten. Die Forscher stellen in Aussicht, die äußere Struktur von Kupferfilmen ließe sich womöglich glätten, indem man Fremdatome in das Kristallgitter einbindet. Schließlich könnte man so die Leitfähigkeit dieser Materialien erhöhen.

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