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Johannes Georg Bednorz (* 1950), Deutschland

Nobelpreis für Physik 1987

Porträtbild Bednorz
Bild: Johannes Georg Bednorz [1]

für den bedeutenden Durchbruch bei der Entdeckung der Supraleitfähigkeit in keramischen Materialien (gemeinsam mit Karl Alexander Müller)

Johannes Georg Bednorz' Faszination für die Naturwissenschaften wurde insbesondere durch die Berührung mit der Chemie geweckt, da die Möglichkeit zur eigenständigen Durchführung von Experimenten sein praktisches Wesen ansprach. So begann er 1968 an der Universität Münster mit dem Studium der Chemie, in dem er sich jedoch aufgrund der unpersönlichen Atmosphäre unter einer großen Anzahl an Studenten etwas verloren fühlte. Bednorz wechselte daher schon bald zum Hauptfach Kristallographie, dem zwischen Chemie und Physik angesiedelten Gebiet der Mineralogie.[2]

Die Entscheidung, ein Ferienpraktikum (1972) und den experimentellen Teil seiner Diplomarbeit (1973) am IBM Forschungslabor Zürich zu absolvieren, stellte die Weichen für Bednorz' wissenschaftliche Zukunft. Dort begegnete er Karl Alexander Müller, dem damaligen Leiter der dortigen Physik-Abteilung, welcher später auch die von Bednorz 1977 begonnene Doktorarbeit an der ETH Zürich mitbetreute. Im Anschluss an diese Arbeit über die Züchtung und Untersuchung von Mischkristallen vom Perowskit-Typ, schloss sich Bednorz 1982 endgültig IBM an. In intensiver Zusammenarbeit mit Müller begann 1983 die Suche nach einem bei "hohen" Temperaturen supraleitenden Oxid, die nach einem langen, dornigen Weg letztlich über keramische Kupferoxide zum Erfolg führte.[2]

Im Rahmen seiner Tätigkeit bei IBM entstanden zahlreiche Patentanmeldungen, in denen Johannes Georg Bednorz als Erfinder genannt ist.

Umschaltbare elektrische Kapazität

Die Patentschrift pdf- Datei US 6 990 008 B2 beschreibt einen Kondensator, dessen Kapazität zwischen mindestens zwei Werten umgeschaltet werden kann sowie eine hierauf aufbauende elektronische Speichereinheit. Die Figur 1 zeigt den Kondensator 2, bestehend aus einer ersten Elektrode 12, einer dielektrischen Schicht 14, einem Schaltelement 18 und einer zweiten Elektrode 20, welche auf einem Substrat 10 angeordnet sind.

Patentzeichnug KondensatorBild vergrößert anzeigenFigur 1: Kondensator mit umschaltbarer Kapazität und eine aus solchen Kondensatoren aufgebaute Speichereinheit (aus US 6 990 008 B2 )

Das Schaltelement 18 besteht aus einem Material, das in einen Zustand niedrigerer oder höherer elektrischer Leitfähigkeit überführt werden kann. Hierbei kann die Leitfähigkeitsänderung das gesamte Material betreffen (sog. bulk effect) oder aber beispielsweise in einem das Schaltelement durchsetzenden Filament 24 lokalisiert sein, welches die zweite Elektrode 20 mit einer optionalen Zwischenelektrode 16 verbindet. Die Umschaltung zwischen den Leitfähigkeitszuständen kann elektrisch, mittels Wärme oder auch per Licht erfolgen und ist stabil, aber reversibel. Die Kapazität des Kondensators hängt somit vom Leitfähigkeitszustand des Schaltelements ab und ein entsprechendes Kapazitätsverhältnis Choch/Cniedrig von 10 bis 100 oder höher kann leicht erreicht werden. Ein geeignetes Material für das Schaltelement ist beispielsweise mit bis zu 20% mit Chrom dotiertes Strontiumtitanat SrTiO3, wobei in diesem Falle eine Ausbildung der dielektrischen Schicht aus undotiertem SrTiO3 vorteilhaft ist.
Neben der Verwendung als Sensor ist ein weiteres Anwendungsgebiet eines solchen Kondensators der Aufbau elektronischer Speichervorrichtungen wie EEPROMs. Wie auf der rechten Seite der Figur 1 dargestellt, beinhaltet die Speichereinheit 40 eine Vielzahl an Speicherzellen 46, die wie oben beschriebene Kondensatoren 2 umfassen. Entsprechend kann Information in den einzelnen Speicherzellen gespeichert werden, indem beispielsweise der niedrigere Kapazitätswert des jeweiligen Kondensators einer logischen "0" zugeordnet wird, der höhere einer "1".

Piezoelektrische Positioniervorrichtung

Einhergehend mit der Erhöhung der Auflösung von Mikroskopen und der Verkleinerung der Strukturen integrierter Schaltkreise wachsen auch die Anforderungen an Positioniervorrichtungen für Proben bzw. Chips.

PatentzeichnungBild vergrößert anzeigenFigur 2: Piezoelektrische Positioniervorrichtung (aus EP 0 149 017 B1 )

Die Figur 2 aus pdf- Datei EP 0 149 017 B1 zeigt einen piezoelektrischen X-Y-Positionierer, basierend auf einer planaren Anordnung zweier Verschiebungsparallelogramme. Ein erstes Paar piezoelektrischer Biegeelemente 2, 3 ist mit jeweils einem Ende mit einem feststehenden Rahmen 1 verbunden, während zwischen ihren anderen Enden ein Zwischenrahmen 4 getragen ist. Die Biegeelemente sind derart konfiguriert, dass sie sich bei Anlegen desselben elektrischen Potentials in dieselbe Richtung krümmen, so dass sich der Zwischenrahmen insgesamt verschiebt. An einem Ausleger 10 des L-förmigen Zwischenrahmens ist ein zweites Paar piezoelektrischer Biegeelemente 12, 13 angebracht, das sich senkrecht zur Ausrichtung des ersten Paares erstreckt. Zwischen den freien Enden der Biegeelemente 12, 13 befindet sich ein Tragrahmen 14, auf dem sich beispielsweise eine zu untersuchende Probe befindet. Durch Anlegen elektrischer Potentiale an das erste und das zweite Paar von Biegeelementen kann der Tragrahmen somit frei entlang der x-Richtung 5 und der y-Richtung 15 positioniert werden. Ein wie auf der rechten Seite der Figur 2 dargestelltes Biegeelement 16 besteht aus zwei einzelnen, miteinander verbundenen piezoelektrischen Elementen mit einer speziellen Elektrodenkonfiguration und zeichnet sich dadurch aus, dass seine Endflächen 22a, 22b immer parallel bleiben. Die Verwendung solcher Biegeelemente gewährleistet also eine exakt lineare Verschiebung der jeweiligen Rahmen, wobei mit der Vorrichtung eine Positionierung bis auf 20 nm genau erzielt werden kann.

Ergänzend hierzu befasst sich pdf- Datei EP 0 160 707 B1 ebenfalls mit einer Positioniervorrichtung für die oben genannten Anwendungen, bei welcher piezoelektrische Biegeelemente jedoch die Probenverschiebung auf einer Kreisbahn bewirken.

Patentdokumente zu Johannes Georg Bednorz
PublikationsnummerJahrTitel
pdf-Datei EP 0 112 402 B1   1982  Light waveguide with a submicron aperture, method for manufacturing the waveguide and application of the waveguide in an optical memory 
pdf-Datei EP 0 149 017 B1   1984  Piezoelectric X-Y positioner 
pdf-Datei EP 0 160 707 B1   1984  Piezoelectric stepping rotator 
pdf-Datei EP 0 178 336 B1   1984  Vacuum transfer device 
pdf-Datei EP 0 523 275 B1   1991  Enhanced superconducting field-effect transistor with inverted MISFET structure and method for making the same 
pdf-Datei US 8 060 169 B1   1995  Superconductive Compounds having high transition temperature, and methods for their use and preparation 
pdf-Datei US 6 990 008 B2   2003  Switchable capacitance and nonvolatile memory device using the same 

Quellen:

[1] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Ibmgb.jpg&filetimestamp=20100714080450 [recherchiert am 10.07.2012]
[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1987/bednorz.html [recherchiert am 10.07.2012]

© 2016 Deutsches Patent- und Markenamt | 29.02.2016