DE3337049A1 - Feststoff mit besonderen elektrischen eigenschaften und verfahren zur herstellung eines solchen feststoffes - Google Patents

Feststoff mit besonderen elektrischen eigenschaften und verfahren zur herstellung eines solchen feststoffes

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Description

Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH
ANR 1 o78 259
Darmstadt, den ll.lo.83 PLA 83 48 Sdt/jd
Feststoff mit besonderen elektrischen Eigenschaften und Verfahren zur Herstellung eines solchen Feststoffes
■h-
Beschreibung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feststoff bzw. einen Festkörper aus diesem Feststoff mit endlicher Dicke mit vorzugsweise ebener oder flacher Geometrie. Die vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit der Einwirkung von Schwerionenstrahlung auf Feststoffe bzw. mit den aus solchen Bestrahlungen hervorgehender. Kernspuren.. Diese Kernspuren sind Störungen des Festkörpergefüges entlang der Bahnen von energiereichen Ionen in Isolatoren, die zur Einleitung eines Phasenumwandlungsprozeßes eingesetzt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen neuen Feststoff anzugeben, dessen elektrische Eigenschaften im Vergleich zu den bekannten erheblich erweitert sind. Mit dem Feststoff bzw. einem daraus erzeugten Festkörper soll es u.a. möglich sein, elektromagnetische Strahlungen in einem bisher schwer zugänglichen Bereich zwischen ca. 1 ,um und ca. 1 mm Wellenlänge gezielt zu erzeugen bzw. gezielt nachzuweisen.
Die Erfindung schlägt nun zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Feststoff bzw. Festkörper nach dem Oberbegriff der Patentansprüche die Merkmale vor, die in den Kennzeichen der Patentansprüche 1 bis 4 angegeben sind. Zur Lösung der Aufgabe in Bezug auf die
Herstellung eines solchen Festkörpers schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, dessen Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 5 aufgeführt sind.
Bei dem neuen Feststoff ist neben den besonderen Eigenschaften seiner Leitfähigkeit das Vorhandensein einer Vielzahl von ausgerichteten, metallischen Dipolantennen im Mikromaßstab von Vorteil um die gewünschte Eigenschaft bzgl. der angegebenen elektromagnetischen Strahlung zu erzielen. Dabei läßt sich der Abstand der Dipole sehr groß machen im Verhältnis zu atomaren Dipolen. Durch die Ausscheidung von Metallaggregaten entlang latender Kernspuren entstehen in Isolatoren eine Vielzahl parallel orientierter Dipolantennen in Form feiner elektrisch leitender Metallnadeln. Entlang durch die Kernspuren festgelegten Anisotropieachsen hat ein derartiges Kompositmaterial eine ungewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante, vergleichbar der die Elektrizitätskonstante von Xetallen. Quer zur Anisotropieachse jedoch ist die Dielektrizitätskonstante praktisch unverändert gegenüber dem ursprünglichen Isolatormaterial. Die elektromagnetischen Absorptions- und Emissionseigenschaften einer solchen, wohlorientierten Antennenensembles sind neuartig und können vorteilhaften Anwendungszwecken dienen.
Details des neuen Feststoffes bzw. Festkörpers sind anhand einer schematischen Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt im Schnitt einen flachen Festkörper in ebener Schichtform, dessen Grundmaterial 1 z.E. aus kupferübersättigtem Quarzglas besteht. Dabei ist es wichtig, daß ein metastabiles System vorliegt, welches zur Entmischung neigt. Das Material darf jedoch kein Kristall sein, denn beim Kristallisieren würde ein Sntmischvorgang auftreten, der die gewünschten Eigenschaften wieder zerstören würde. Ein bestimmter 3ereich 2 des Festkörpers wurde nun mit schweren Ionen hoher Energie, z.B. 10 Ionen pro
cm Uran, Blei oder Xenon -bei der gezeigten Darstellung in 45° Richtung geneigt zu der Oberflächebestrahlt, wodurch die latenten Kernspuren 3 erzeugt wurden. Mach der Bestrahlung wird der Festkörper einem Temperprozeß unterzogen, bis die Kernspuren 3 bzw. die aus der Bestrahlung hervorgehenden, der Kernspurrichtung folgenden Metallaggregationen zu metallischen Fäden zerschmolzen sind. Dies geschieht in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 400°C.
Der entstandene Werkstoff besitzt nun besonderen Eigenschaften, es sind eine Vielzahl von Dipolen 4 in Richtung der Kernspuren 3 entstanden (einer davon ist dicker gezeichnet). Diese Dipole weisen eine hohe
Polarisierung auf, wobei in der einen Richtung 5 eine sehr hohe praktisch metallische Leitfähigkeit mit sehr hoher Polarisierbarkeit und in der anderen, dazu senkrechten Richtung 6 eine vernachlässigbare Leitfähigkeit bzw. eine hohe Isolationswirkung entstanden ist. Die Richtung 5 bzw. die Dipolrichtung kann dabei senkrecht oder schräg zur Feststoffoberfläche 7 gelegen sein, d.h. die Bestrahlungsrichtung kann frei gewählt werden. Die Elektronenbeweglichkeit in der Richtung 5 und 6 in demnach stark unterschiedlich von einander.
Es entsteht ein neues, anisotropes Isolatormaterial mit sehr hoher, praktisch metallischer Dielektrizitätskonstante in der einen Vorzugsrichtung. Wählbar ist dabei die Art der Metallausscheidung, die Vorzugsrichtung, die Länge der Metallantennen, wobei auch eingebettete Metallantennen möglich sind.
Das Grundprinzip bei dem vorliegenden neuen Feststoff ist, daß Edelmetalle ausgelöst bei hohen Temperaturen in einer dielektrischen Matrix, starke Tendenzen aufweisen, sich in Form von metallischen Büscheln anzuhäufen. Dieser Anhäufungsprozeß wird durch das Passieren eines oder einer Vielzahl von hoch ionisierten Ionen ausgelöst. Er endet in einer Anordnung von metallischen Anhäufungen entland der Ionenspur.
— 7 —
Die Erfindung schafft nun auf die beschriebene Art metallische Nadeln, z.B. orientierte mikroskopische Dipolantennen von identischer Länge in dem Festkörper. Entlang einer bevorzugten Achse von Aniosotropie hat nun solch ein Kompositmaterial eine ungewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante bei niedrigen Frequenzen. Bei 90° zu der Dipolachse bleibt die Konstante wie bereits beschrieben jedoch ganz niedrig. Bei hohen Frequenzen zeigen die Resonanzabsorption oder die Emission von elektromagnetischer Strahlung durch ein solches, gut orientiertes System von Dipolantennen weitere neue wichtige Eigenschaften des Materiales.
Bezuqszeichenliste
1 Grundmaterial
2 bestrahlter Bereich
3 Kernspuren
4 Dipol
5 Richtung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
6 Richtung mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit
7 Feststoffoberfläche
- 40-
- Leerseite -

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Feststoff, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Richtung elektrisch leitend und in einer zweiten, dazu senkrechten Richtung elektrisch isolierend ist.
2. Festkörper endlicher Dicke mit vorzugsweise ebener ober flacher Geometrie aus einem Feststoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch eine Matrix aus dielektrischem Material mit einer Vielzahl, im Festkörper zu einander achsparallel verlaufender Dipole aus elektrisch leitendem Material, dessen Enden bis in oder in die Nähe des Ober- bzw. Unterfläche des Festkörpers reichen, deren Richtung zu der Oberfläche senkrecht oder schräg ist und deren jeweiliger Durchmesser gleichförmig im mikroskopischen Bereich liegt.
3. Festkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Festkörpers ein metallübersättigtes, metastabiles Glas ist.
4. Festkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ein normales Glas oder ein Quarzglas mit einem Gehalt von 10 bis 40 % Kupfer ist.
Λ-
5. Verfahren zur Herstellung eines Feststoffes bzw. eines Festkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch die vorliegenden Verfahrensschritte:
a) Elerstellen einer Schicht metastabilen, metallübersättigten Glases z.B. durch Ionenzerstäubung, durch Abscheidung aus der Gasphase oder durch gleichzeitiges Aufdampfen einer Schicht von z.E. Kupfer und Siliziumdioxid,
b) Bestrahlen der Schicht senkrecht oder schräg zur ihrer Oberfläche mit schweren Ionen vorbestimir.ter Energie, Ionenart und Flächendosis,
11 2
z.B. mit 10 /cm Uran, 31ei oder Xenon
c) Tempern der bestrahlten Schicht bzw. Reifen der gebildeten Metallkeime bis zu Metallaggregate zu metallischen Fäden verschmelzen, z.B. bei Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 4OO°C.
^ J ■"
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