Preis des Verbandes der Metall- und Elektroindustrie Baden-Württembergs verliehen

Der Fortschritt in den Nanowissenschaften, einem disziplinübergreifenden hochaktuellen Forschungssektor, ermöglicht schon heute die Herstellung nanometrischer Strukturen. Sogar einzelne Atome lassen sich, zumindest im Labor, gezielt positionieren. Eine wesentliche Triebkraft der weltweit lebhaften Aktivitäten auf diesem Gebiet sind neben der wissenschaftlichen Neugier die zu erwartenden Anwendungen, speziell in der Informationstechnologie.

Als Konsequenz der extremen Miniaturisierung ergeben sich nicht selten Eigenschaftsänderungen bei den Substanzen/Materialien. Die uns vertrauten Charakteristiken makroskopischer Objekte, zum Beispiel Farbe oder elektrischer Widerstand, ändern sich, wenn dasselbe Material in nanometrischer Dimension vorliegt und damit das Oberflächen/Volumen-Verhältnis drastisch verschoben ist. So wurde beispielsweise in jüngerer Zeit gezeigt, daß Kohlenstoffnanoröhrchen phänomenale mechanische und elastische Eigenschaften haben. Ein anderes Beispiel: Wasser in Gestalt nanometrischer Tröpfchen gefriert nicht bei 0 °C, sondern bei minus 40 °C! Bereits das Mittelalter hat sich Nanoeigenschaften zunutze gemacht: die leuchtenden blauen oder roten Farben von Kirchenfenstern wurden durch Einlagerung von kleinen Gold-, Silber- oder Kupferteilchen in das Glas erzielt. Gold als Nanoteilchen mit einem Durchmesser von etwa 6 nm sieht rot aus, nicht mehr golden.

Die Miniaturisierungsmöglichkeiten haben große Bedeutung in der Halbleiter- und Computerindustrie. Größenreduktion der Strukturen bedeutet Leistungssteigerung. Wenn die Strukturgrößen allerdings bestimmte Dimensionen unterschreiten, werden die von den größeren Skalen bekannten elektrischen Eigenschaften – der jetzt nanometergroßen – Bauteile, Leiterbahnen und Kontakte fraglich. Der zunehmende Einfluß von Oberflächeneffekten in Nanostrukturen führt zum sogenannten Size-Effekt des elektrischen Widerstandes (höhere Widerstände und Wärmeentwicklung). So können sich die Ladungsträger (meistens Elektronen) in kleinen Strukturen nicht so frei bewegen wie in massiven Proben.

Daß Elektronen in Metallen nicht einfach widerstandslos vom Minus- zum Pluspol unterwegs sind (wie in den sogenannten Supraleitern), liegt daran, daß die Ladungsträger auf ihrem Weg durch die Probe bei Stößen Energie verlieren, was einen elektrischen Widerstand zur Folge hat und zur Erwärmung der Probe führt. Solche Stöße können an Verunreinigungen, Defekten und Korngrenzen stattfinden oder an den um

ihre Gleichgewichtslage schwingenden Atomen im Kristallgitter. Neben diesen konventionellen Stoßprozessen wird die Streuung der Ladungsträger an der Oberfläche mit abnehmender Dicke der Metallfilme immer einflußreicher. Dieser zusätzliche Streukanal bewirkt bei diffuser Streuung an der Oberfläche eine Widerstandserhöhung.

In seiner Dissertation hat Dr. Gerd Kästle (Abteilung Festkörperphysik der Universität Ulm) die elektrischen Transporteigenschaften, insbesondere den elektrischen Widerstand ultradünner Goldfilme untersucht, und zwar epitaktisch gewachsener, hochgeordneter einkristalliner Filme. Unter epitaktischen Filmen versteht man ganz allgemein solche, deren Atome sich auf einer bereits einkristallinen Unterlage in Reih und Glied längs der vorgegebenen Ordnung anlagern. Normale Metallbeschichtungen wie zum Beispiel Vergoldungen, Chromauflagen auf Metallen u.ä. sind demgegenüber üblicherweise polykristallin, das heißt die Beschichtung besteht aus vielen in alle Raumrichtungen orientierten Körnern.

Als Wachstumsunterlage für die Goldfilme dienten durchsichtige Saphirsubstrate (Aluminiumoxid). Unter Verwendung einer dünnen Niobschicht als Haftvermittler konnte Kästle erstmalig epitaktische Goldfilme von extrem geringer Stärke darstellen. Die dünnsten so präparierten Proben maßen 1 nm = 10-9m. Dies entspricht etwa fünf Atomdurchmessern. Gleichwohl sind die Goldfilme immer noch geordnet, glatt und elektrisch leitfähig, was auf dieser Längenskala nicht selbstverständlich ist. Mittels dieser Goldfilme war es möglich, den zunehmenden Einfluß der Oberfläche auf den elektrischen Widerstand in einem Modellsystem zu untersuchen. Aus der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes konnte abgeleitet werden, daß in dem hier betrachteten System die diffuse Streuung von etwa 70 % der Elektronen eine oberflächeninduzierte Widerstandserhöhung gegenüber massiven Proben nach sich zieht.

Die genauere Analyse der Daten zeigte zudem, daß sich auch die thermischen Gitterschwingungen der Goldatome im Film veränderten. Während in einem massiven Goldstück fast jedes Goldatom 12 nächste Nachbarn hat, sind Goldatome auf der Oberfläche eines Goldfilms nur von höchstens 9 Nachbarn umgeben. Diese reduzierte Koordination führt dazu, daß Oberflächenatome bei einer bestimmten Temperatur stärker hin- und herschwingen können. Der dünne Goldfilm verhält sich »weicher« als massives Gold. Verstärkte diffuse Oberflächenstreuung der Elektronen ist auch ursächlich dafür, daß eine geordnete Nanomodulation der Goldfilmoberfläche Widerstandserhöhungen im Vergleich zu einer unmodulierten identischen Probe zur Folge hat.

Dr. Gerd Kästle erhält am 25.11.2003 den Preis des Verbandes der Metall- und Elektroindustrie Baden-Württembergs e.V. Dieser mit 5000 € ausgestattete in jährlichem Turnus vergebene Preis wurde für Nachwuchswissenschaftler gestiftet. Die Preisverleihung 2003 findet an der Universität Konstanz statt.