Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker machen Elektronengas sichtbar

02.07.2009
Mit Röntgenstrahlung lassen sich verborgene Strukturen sichtbar machen, etwa die Knochen des Menschen. Würzburger Physiker haben mit ihr jetzt erstmals auch die elektronische Struktur einer Grenzschicht in einem Festkörper aufgeklärt.

Weshalb solche Grenzschichten erforscht werden? "Sie sind wichtig für die Funktionalitäten von modernen elektronischen Bauelementen wie Transistoren", sagt Michael Sing, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV der Universität Würzburg. Wer solche Bauelemente verbessern oder neu entwickeln will, sollte darum die Eigenschaften von Grenzschichten sehr gut kennen.

Eine ganz spezielle Grenzschicht haben die Würzburger Physiker mit Kollegen von der Universität Augsburg und vom Schweizer Paul-Scherrer-Institut analysiert: Auf eine Unterlage aus Strontiumtitanat brachten sie hauchdünn wenige Schichten Lanthanaluminat auf. Sie interessierten sich für den Bereich, in dem die beiden Materialien aufeinandertreffen.

Warum gerade diese Materialien? Beide sind gute Isolatoren, leiten aber trotzdem elektrischen Strom, wenn man sie zusammenbringt. "An der Grenze zwischen ihnen bildet sich eine leitfähige Schicht, ein so genanntes Elektronengas, das bei sehr tiefen Temperaturen sogar supraleitend wird, den elektrischen Strom dann also verlustfrei transportiert", erklärt Michael Sing. Zudem lässt sich die Leitfähigkeit der Schicht an- und abschalten. Das mache die Materialien für zukünftige Anwendungen sehr interessant.

Elektronengas: Dichte und Dicke gemessen

Nachgewiesen wurde die leitfähige Schicht zwischen den beiden Materialien schon im Jahr 2004. Nun aber haben die Wissenschaftler erstmals mit hoher Präzision ihre Dichte und ihre Dicke bestimmt - beides sind entscheidende Kenngrößen für die elektronischen Eigenschaften leitfähiger Schichten.

Ergebnis: Die leitfähigen Elektronen kommen nur in einer einzigen Lage von Strontiumtitanat vor, und zwar direkt an der inneren Grenzfläche zum Aluminat. "Mit dieser Struktur ist es in Zukunft vielleicht möglich, Bauelemente wie zum Beispiel Computerchips noch weiter zu verkleinern, weil die elektrisch leitfähige Schicht so schlank ist - sie besteht ja nur aus einer Atomlage", sagt Michael Sing.

Perspektive: Bauteile für aggressive Umgebungen

Außerdem eignen sich die beiden Materialien womöglich als Alternative zum Silizium, dem derzeit wichtigsten Ausgangsmaterial für die Halbleiterindustrie. Denn Bauelemente auf Silizium-Basis haben den Würzburger Physikern zufolge Nachteile: Bei Temperaturen über 200 Grad Celsius und auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt funktionieren sie nicht einwandfrei.

Anders sehe das bei so genannten Oxid-Keramiken aus - zu dieser Materialgruppe gehören auch Lanthanaluminat und Strontiumtitanat. Oxid-Keramiken können laut Michael Sing durchaus auch in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden, etwa in Müllverbrennungsanlagen oder im Weltraum. An Orten also, an denen entweder sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen herrschen.

Nächstes Ziel: Funktionierendes Bauelement analysieren

Nächstes Ziel der Würzburger Physiker ist es, die elektrisch leitfähige Grenzschicht in einem funktionierenden Bauelement zu analysieren. Dafür wollen sie einen Feldeffekttransistor aus Lanthanaluminat und Strontiumtitanat verwenden. Von den Experimenten erhoffen sie sich noch mehr Wissen über die Vorgänge, die beim Schalten eines Stromes in einer solchen Schichtstruktur ablaufen.

Die Messmethode

Ihre Experimente beschreiben die Forscher im Fachblatt Physical Review Letters. Sie haben eine moderne Variante der so genannten röntgeninduzierten Photoemissions-Spektroskopie eingesetzt. Die Methode beruht auf dem schon lange bekannten Photoeffekt: Elektronen absorbieren Röntgenstrahlung, nehmen dadurch viel Energie auf und werden beschleunigt. Wegen ihrer großen Geschwindigkeit sind sie nun dazu in der Lage, in einem Festkörper etliche Atomschichten zu durchdringen und ihn durch seine Oberfläche hindurch zu verlassen.

Dort werden die schnellen Elektronen dann nachgewiesen, ihre Geschwindigkeiten gemessen. Das lässt Rückschlüsse darüber zu, von welchem Atomtyp sie stammen und in welchem Ladungszustand sich die Atome befinden. "Variiert man die eingestrahlte Röntgenenergie und damit das Ausmaß, in dem die Elektronen aus dem Festkörper austreten, kann man ein elektronisches und chemisches Tiefenprofil erstellen und daraus ein Abbild der untersuchten Struktur rekonstruieren", erklärt Michael Sing.

Profiling the interface electron gas of LaAlO3/SrTiO3 heterostructures by hard X-ray photoelectron spectroscopy, M. Sing, G. Berner, K. Goß, A. Müller, A. Ruff, A. Wetscherek, S. Thiel, J. Mannhart, S.A. Pauli, C.W. Schneider, P.R. Willmott, M. Gorgoi, F. Schäfers und R. Claessen, Physical Review Letters 102, 176805 (2009), doi 10.1103/PhysRevLett.102.176805

Kontakt
Prof. Dr. Ralph Claessen,
T (0931) 31-85732,
claessen@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie