Gut gedämmte Quantenchips

Wärmedämmung ist nicht nur für Gebäude wichtig, sondern auch in den Quanten­technologien. Während die Dämm­platten um ein Haus die Heizwärme im Haus halten, geht es bei Quanten­bauelementen um eine Isolierung gegen die Wärme aus der Außen­welt, da viele Quanten­effekte nur bei tiefer Temperatur stabil sind. Gesucht werden also Materialien mit extrem geringer Wärme­leit­fähigkeit, die außerdem kompatibel mit den in der Quanten­technologie genutzten Materialien sind.

Auf diesem Weg ist nun ein Team um Klaus Habicht aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) einen großen Schritt vorangekommen. Mit einem neuartigen Sinterverfahren stellten sie Proben aus Silizium und Silizium-Aluminium her, die unter Druck und einem elektrischen Feld für wenige Minuten unter hoher Temperatur verpresst wurden. Davor wurden dem Si-Ausgangs­material mittels elektrochemischen Ätzverfahren weitere Mikrostrukturen hinzugefügt, die den Wärme­transport noch weiter unterdrücken. „Silizium ist aus vielen Gründen hier das ideale Material, insbesondere passt es zu möglichen Bauelementen, die auf Silizium-Qubits beruhen“, betont Habicht.

So erhielten sie eine Reihe von Materialproben mit winzigen Poren, kristallinen Nanopartikeln und Domänen­grenzen. Wärmeleitung funktioniert über Schwingungen im Kristallgitter. Diese Phononen können sich jedoch nur ausbreiten, wenn sie nicht auf Hindernisse stoßen, an denen sie gestreut werden. Sowohl Poren als auch Nanopartikel und Domänen­grenzen können bei passenden Abständen und Durchmessern zu solchen Streuzentren werden und damit die Wärmeleitung reduzieren.

Mit einem eleganten Modell berechneten die Forscher das Verhalten der Phononen und damit die Wärmeleitfähigkeit in unterschiedlichen Proben. Deren Mikrostruktur floss mit Parametern wie Größe und Abstand von Poren und Nanopartikeln ein. „Bei diesem Modell können wir die Beiträge von Nanopartikeln und Poren zur Wärme­leit­fähigkeit deutlich voneinander trennen“, erklärt Habicht.

Die experimentellen Ergebnisse zu Mikrostrukturen und Wärme­leit­fähigkeit in den einzelnen Proben bestätigen das neue Modell. Die Mikro­strukturen bestimmte Erstautor Danny Kojda am Raster­elektronen­mikroskop des HZB. Mit einer speziellen dafür von ihm weiterentwickelten Bildauswertungssoftware ermittelte er Größe und Anzahl von Nanopartikeln und Poren, sowie deren Abstand. Die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur wurde in allen Proben sorgfältig gemessen.

Die Messdaten passten extrem gut zu den modellierten Ergebnissen. Damit lässt sich nunmehr bestimmen, ob in einer Probe mit gegebener Mikrostruktur vor allem die Poren oder doch mehr die Nanokristallite ursächlich für die Unterdrückung der Wärmeleitung sind. „Das Verständnis der grundlegenden Transport­prozesse hilft uns dabei, maß­geschneiderte Materialien mit stark reduzierter Wärmeleit­fähigkeit zielgerichtet herzustellen und weiter zu entwickeln“, sagt Kojda.

HZB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Kojda et al.: Characterization and modeling of the temperature-dependent thermal conductivity in sintered porous silicon-aluminum nanomaterials, Nano Res., online 21. März 2022; DOI: 10.1007/s12274-022-4123-y
• Dynamik und Transport in Quantenmaterialien (K. Habicht), Helmholtz-Zentrum Berlin