Neuer Rohstoff für schnellere, stromsparende Elektronik

| Redakteur: Julia Schmidt

Das Foto zeigt einen Vanadiumdioxid-Chip, der am NANOLAB der École polytechnique fédérale de Lausanne entwickelt wurde. Vanadiumdioxid könnte in Zukunft als Rohstoff für extrem schnelle Elektronik eingesetzt werden.
Das Foto zeigt einen Vanadiumdioxid-Chip, der am NANOLAB der École polytechnique fédérale de Lausanne entwickelt wurde. Vanadiumdioxid könnte in Zukunft als Rohstoff für extrem schnelle Elektronik eingesetzt werden. (Bild: EPFL / Jamani Caillet)

Durch seine einzigartigen Eigenschaften hat Vanadiumdioxid das Potenzial Silizium als Rohstoff für Elektronikbauteile abzulösen. Dadurch könnte eine neue Generation von elektronischen Bauteilen mit niedrigem Stromverbrauch entwickeln werden.

Im Rahmen des Phase Change Switch Project des École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) haben Ingenieure gezeigt, dass mit Vanadiumdioxid (VO2) programmierbare, hochfrequente, elektronische Schaltungen für Kommunikationssysteme in der Luft- und Raumfahrt realisiert werden können.

Vanadiumdioxid ändert mit steigender Temperatur seine atomare Struktur, von einer kristallinen Struktur bei Raumtemperatur, hin zu einer metallischen bei Temperaturen über 68°C. Dieser Übergang vollzieht sich in weniger als einer Nanosekunde. Allerdings ist die Übergangstemperatur von 68°C zu niedrig für moderne elektronische Geräte, bei denen die Schaltkreise auch bei 100°C noch einwandfrei funktionieren müssen.

Zwei Forscher des Projekts, Ionescu von der School of Engineering und Andreas Schüler von der School of Architecture, Civil and Environmental Engineering, haben nun möglicherweise eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie fanden heraus, dass die Zugabe von Germanium zum VO2-Film die Temperatur, bei der der Phasenwechsel einsetzt, auf über 100°C anheben kann.

Mit Hilfe dieses Wissens gelang es den Forschern des Nanolab der EPFL zum ersten Mal ultra-kompakte, modulierbare Frequenzfilter herzustellen. Ihre Technologie, die Vanadiumdioxid und Phasenumschalter einsetzt, ist besonders effektiv in dem für Weltraumkommunikationssysteme entscheidenden Frequenzbereich zwischen 28,2 und 35 GHz (dem Ka-Band). Weitere denkbare Anwendungsgebiete sind unter anderem Neuromorphic Computing und künstliche Intelligenz.

Das Element Vanadium ist ein weiches, nichtmagnetisches Schwermetall, das vergleichsweise häufig, überwiegend gebunden in Mineralien, auf der Erde vorkommt. Der Großteil, etwa 90 Prozent, des gewonnenen Vanadiums wird derzeit in der Stahlindustrie verwendet, um spezielle Legierungen herzustellen, die zum Beispiel die Wiederstandfähigkeit des Stahls erhöhen. Die Verbindung Vanadiumpentoxid dagegen wird bei der Produktion von Schwefelsäure als Katalysator eingesetzt.

Auf der Suche nach alternativen Energiespeichern insbesondere für die erneuerbaren Energien, werden Vanadium-Redux-Akkus als gute Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus betrachtet. Die chinesische Regierung investiert im großen Stil in diese Technologie und beauftragte im November 2017 Pu Neng Energy mit dem Bau der bislang größten chinesischen Batteriefarm in der Provinz Hubei.

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