Quantenmechanik wörtlich genommen: Die schematische Skizze veranschaulicht wie in Aluminium-Nanoschichten von fünf beziehungsweise sieben Atomlagen aufgrund eines Quanteneffekts eine mechanische Spannung entsteht. Die Elektronenenergie, dargestellt in der abklingenden Schwingungskurve, hängt von der Schichtdicke ab. Um eine minimale Elektronenenergie zu erreichen, muss die Schichtdicke verändert werden. Ein fünf Atomlagen dicker Film ist gezwungen, sich senkrecht zur Oberfläche zu stauchen, wohingegen ein sieben Atomlagen dicker Film sich senkrecht zur Oberfläche dehnt. Gleichzeitig will sich das System parallel zur Schicht dehnen beziehungsweise stauchen. Da die Aluminiumatome jedoch auf einer Unterlage fixiert sind, ist das nicht möglich. Es entsteht eine Druck- oder Zugspannung, die durch die gelben Pfeile werden. Sie deuten die Kraft an, die aufgewendet wird, um die Dehnung beziehungsweise Stauchung zu verhindern. [weniger]
In einem Aluminiumfilm aus wenigen Atomlagen erzeugen eingesperrte Elektronen mechanische Spannungen von bis zum 1000fachen des Atmosphärendrucks. Leseköpfe von Festplatten-Laufwerken, Laser in DVD-Spielern, Transistoren auf Computer-Chips: all diese Bauteile, und noch viele andere mehr, enthalten ultradünne Schichten aus Metallen oder Halbleitern. In den dünnen Schichten entstehen während ihrer Herstellung Spannungen. Diese beeinflussen die optischen und magnetischen Eigenschaften der Bauteile, verursachen aber auch Fehler im Kristallgitter und lassen ein Bauteil schließlich versagen. Wie Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart nun festgestellt haben, erzeugt aber auch ein bislang unbekannter quantenmechanischer Mechanismus, der auf einem Effekt namens quantum confinement beruht, enorme Spannungen in den Schichten. Demnach kann der Druck abhängig von der Dicke dadurch bis zum 1000-fachen des Atmosphärendrucks ansteigen. Die Erkenntnisse könnten helfen, die optischen und magnetischen Eigenschaften von Dünnschichtsystemen zu steuern und ihre mechanische Stabilität zu erhöhen.
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