Ganz heiße Technik zum Kühlen

Unter Einsatz magnetischer Moleküle könnten die On-Chip-Mikrokühlungssysteme für eine Kühlung bis auf Temperaturen unterhalb der von flüssigem Helium, d. h. etwa 4 Kelvin oder -269 Grad Celsius, sorgen. Das Abkühlen dieser Materialien mittels des magnetokalorischen Effekts funktioniert über eine kleine Änderung des angelegten Magnetfelds in der Größenordnung von wenigen Tesla.

Die meisten Untersuchungen magnetischer molekülbasierte Kühlmittel nahm man bislang an Bulk-Materialien vor. Die Ausweitung der Arbeit auf Moleküle, die auf ein Substrat abgeschieden werden, gestaltet sich sowohl aufgrund der erforderlichen niedrigen Temperaturen als auch des schwachen magnetischen Signals derart kleiner Mengen an magnetischem Material ziemlich schwierig. EU-finanzierte Forscher konnten nun im Rahmen des Projekts MAPROMODE den Stand der Technik für Bulkformen und auf einem Substrat abgeschiedene Formen maßgeblich voranbringen.

Zwei Jahre Forschung zur physikalischen Charakterisierung von bestimmten molekülbasierten Kühlmitteln in Bulk-Form bei sehr niedrigen Temperaturen führte zu 10 Publikationen in hochangesehenen, von Experten begutachteten Fachzeitschriften.

Parallel dazu konnte das Team mit Erfolg ein molekulares Kältemittel auf einem Siliziumsubstrat zur Abscheidung bringen. Die Forscher charakterisierten im Folgenden die aufgepfropften molekularen Kältemittel mittels moderner Magnetkraftmikroskopie (Magnetic Force Microscopy, MFM). Die MFM ähnelt der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM), mit der Ausnahme, dass die magnetischen Oberflächeneigenschaften über eine zwischen der Spitze und der Oberfläche erzeugte Magnetkraft erfasst werden.

Mit dem Einsatz der Magnetkraftmikroskopie bei Temperaturen, die nahezu der von flüssigem Helium entsprachen, wiesen die Wissenschaftler nach, dass die Moleküle nach der Abscheidung ihre magnetischen Eigenschaften und somit ihre Kühlfähigkeit behalten. Die zukunftsträchtige Arbeit wurde in einem auf dem Cover eines Fachjournals vorgestellten wissenschaftlichen Artikel und in einer Universitätspressemitteilung sowie den regionalen und überregionalen Medien angekündigt. Hierbei handelt es sich um den ersten Schritt zur Realisierung von kühlenden Mikrochips auf Silizium, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, wie es bei Röntgen- und Infrarotsensoren gemäß Stand der Technik erforderlich ist.

Das Team untersucht weiterhin Wege zur Verkleinerung der Kühlelemente in kleinstmögliche Größenordnungen, um Eingang in Hightech-Nischenmärkte zu finden. Die innerhalb von MAPROMODE entwickelte bahnbrechende, auf Molekülen basierende Mikrokühlungstechnologie dürfte schon bald eine äußerst angesagte Ware sein.