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Werkstoffe: Keramik bricht ohmsches Gesetz

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Wir alle haben in der Schule das ohmsche Gesetz kennen gelernt, nach dem das Verhältnis von Spannung und Stromstärke in einem Leiter konstant ist, und dass wir diese Konstante den Widerstand des Leiters nennen. Ausnahmen von der Regel kannte man bisher nur unter besonderen Bedingungen, wenn sich etwa die Temperatur ändert oder der Strom entlang einer Grenzfläche zwischen zwei Stoffen fließt.

Wissenschaftler von der University of Sheffield allerdings haben nun einen Stoff entdeckt, der ganz ohne faule Tricks das ohmsche Gesetz verletzt. Das Team um den Materialforscher Anthony West arbeitet mit speziellen Keramiken auf der Basis von hochreinem Bariumtitanat (BaTiO3), das in elektrischen Bauteilen und Schaltkreisen zum Einsatz kommt. Diese neuen Materialien erhalten die Forscher, indem sie das Material gezielt mit kleinen Mengen verschiedener Fremdelemente verunreinigen – mit diesem als Dotierung bezeichneten Verfahren können die Forscher die Eigenschaften des Materials über weite Größenbereiche verändern.

Bei einer Klasse dieser Werkstoffe, den akzeptordotierten Bariumtitanaten, stellten die Wissenschaftler fest, dass sich der Stromfluss durch den Stoff nicht so verhält, wie man es nach Ohm erwarten sollte. Spuren von Kalzium, Magnesium oder Zink in der Keramik führen dazu, dass der Widerstand mit zunehmender Spannung abnimmt.

West und Kollegen wissen noch nicht genau, wie dieses untypische Verhalten zu Stande kommt. Sie vermuten allerdings, dass der verringerte Widerstand direkt mit der Dotierung zu tun hat. Die betreffenden Dotierungselemente besitzen weniger Elektronen als die Atome, die sie im Kristallgitter ersetzen. Dadurch entstehen im Material Elektronenlücken.

Hier kommt eine Besonderheit des zweifach negativ geladenen Sauerstoffs im Kristallgitter ins Spiel: Das Oxidion O2- ist energiereicher als das nur einfach geladene Sauerstoffion. Deswegen genügt eine leichte Spannung, um Sauerstoffatomen in der Nachbarschaft der Fremdatome Elektronen zu entreißen. Die dadurch entstehenden Lücken kann man formal als positiv geladene, bewegliche Ladungsträger betrachten, die selbst als Strom fließen können.Wie die Forscher zeigten, tun sie genau das – und umso besser, je mehr zusätzliche Löcher durch die höhere Spannung entstehen. Die höhere Spannung lässt hier also nicht nur den Strom schneller fließen, sondern erhöht auch die Leitfähigkeit selbst, was sich in einem geringeren Widerstand äußert. (lf)

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  • Quellen
West, A. et al.: Field enhanced bulk conductivity of acceptor-doped BaTi1-xCaxO3-x ceramics. In: Applied Physics Letters, … 2010.

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