Die kleinsten Widerstände der Welt
Elektronentransport in Graphen: Die Skizze zeigt farblich den Verlauf des Spannungsabfalls beim Übergang von einer Lage Graphen zur zweiten sowie schematisch die Bewegung der Elektronen. Foto: Universität Göttingen
Wissenschaftlern der Universitäten Göttingen und Erlangen ist ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis von kleinsten Widerständen gelungen. Den Forschern gelang es, mithilfe eines Rastertunnelmikroskops erstmals die Längenskalen eines Spannungsabfalls im Sub-Nanometerbereich aufzulösen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Physiker waren der Frage nachgegangen, wie sich Spannungsabfall und Widerstand auf der atomaren Skala zueinander verhalten. Als Probensystem verwendeten sie dabei Graphen, eine einzelne Lage hexagonal angeordneten Kohlenstoffs.
Leitet man Strom durch die Lage, zeigten die Untersuchungen, dass der Spannungsabfall in den freien Bereichen der Proben in der Regel wie erwartet linear verläuft. Eine Ausnahme bilden jedoch lokale Störstellen, beispielsweise die Übergänge von einer Lage Graphen zur zweiten: Diese stellen Hindernisse dar, an denen die Elektronen reflektiert werden, was zu einem abrupten Spannungsabfall führt.
„Der Spannungsabfall findet hier auf einer wesentlich größeren Skala statt als die eigentliche Größe der Störung“, erläutert Philip Willke vom IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen, der sich im Rahmen seiner Doktorarbeit mit dem Thema beschäftigte.
„Außerdem fanden wir heraus, dass er fast vollkommen in der zweiten Lage stattfindet. Man kann sich das Problem ähnlich wie eine Autobahn vorstellen, die von zwei Spuren auf eine Spur verengt wird. Insbesondere der Spurwechsel, also hier das Wechseln in den unterschiedlichen Lagen, stellt sich für die Elektronen als sehr schwierig heraus.“
„Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, auf der atomaren Skala Elektronentransport im Nicht-Gleichgewicht zu charakterisieren und zwischen verschiedenen Streubeiträgen zu unterscheiden“, ergänzt Arbeitsgruppenleiter Dr. Martin Wenderoth.
„Dies war bisher nur mit theoretischen Berechnungen möglich. Unsere Ergebnisse helfen somit, bestehende Theorien zu überprüfen und fördern ein tieferes Verständnis des Elektronentransports.“
Originalveröffentlichung: Philip Willke et al. Spatial extent of a Landauer residual-resistivity dipole in graphene quantified by scanning tunnelling potentiometry. Nature Communications 2015. Doi: 10.1038/ncomms7399.
Kontaktadresse:
Dr. Martin Wenderoth
Georg-August-Universität Göttingen
Fakultät für Physik – IV. Physikalisches Institut
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon (0551) 39-9367 oder -4536
E-Mail: wenderoth@ph4.physik.uni-goettingen.de
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