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Quantum mechanics, literally: the schematic diagram illustrates how a mechanical stress develops in aluminium nanofilms of five and seven atomic layers thick due to quantum effects. The electron energy, represented in the decaying oscillation, depends on the film thickness. To reach an electron energy minimum, the film thickness must change. A film of five atomic layers thick is forced to compress perpendicular to the surface, where in contrast, a seven-atomic layer film relaxes perpendicular to the surface. Parallel to the film the system wants to simultaneously expand or contract, respectively. However, this is impossible because the aluminium atoms are fixed on the substrate. Therefore a compressive or tensile stress develops that is shown by the yellow arrows. They signify the force that develops to prevent the respective expansion or contraction. © David Flötotto / MPI for Intelligent Systems

Quantenstress in Nanoschichten

In einem Aluminiumfilm aus wenigen Atomlagen erzeugen eingesperrte Elektronen mechanische Spannungen von bis zum 1000fachen des Atmosphärendrucks

  • 12 September 2012

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. Außerdem lassen sich auf Basis dieser Erkenntnisse möglicherweise sehr sensitive Sensoren entwickeln.


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