Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schlüsselelemente für eine Elektronik nach Maß: Elektron-Loch-Systeme an Oxidgrenzflächen

22.04.2010
Die Grenzflächen komplexer Oxide zeigen oft unerwartete Eigenschaften, die nicht in den Ausgangsmaterialien vorhanden sind. Eine gezielte Manipulation dieser Eigenschaften könnte zu elektronischen Bauteilen mit maßgeschneiderten Funktionen führen.

Ein Team um die LMU-Physikerin und Materialwissenschaftlerin PD Dr. Rossitza Pentcheva konnte nun erstmals die Vorgänge an der Grenzfläche von Oxidschichten - hier aus den beiden Isolatoren Lanthanaluminat (LaAlO3) und Strontiumtitanat (SrTiO3) - entschlüsseln. Wie kürzlich von Augsburger Forschern um Professor Mannhart nachgewiesen, entwickelt sich ab einer gewissen Dicke der LaAlO3-Schicht ein zweidimensionales Elektronengas.

Dann leitet die bislang isolierende Grenzschicht Strom. "In einer internationalen Kooperation haben wir nun gezeigt, dass sich dieser Effekt durch eine Deckschicht aus SrTiO3 zusätzlich manipulieren lässt", berichtet Pentcheva. "Besonders spannend ist, dass sich dabei eine Doppellage aus mobilen Elektronen an der Grenzfläche und Löchern an der Oberfläche ausbildet, den positiv geladenen Gegenstücken der Elektronen." Dieses Elektron-Loch-System, bei dem die Ladungsträger nur ein bis zwei Nanometer voneinander getrennt sind, könnten Schlüsselelemente in der weiteren Miniaturisierung elektronischer Bauelemente werden.(Physical Review Letters online, 22. April 2010)

Übergangsmetalloxide sind außerordentlich spannende Werkstoffe, weil sie dank der starken Wechselwirkung ihrer Elektronen vielfältige Eigenschaften zeigen. Als Hochtemperatur-Supraleiter etwa leiten sie bei tiefen Temperaturen elektrischen Strom ohne Energieverluste. Manche Oxide sind dagegen magnetisch oder ferroelektrisch, etwa weil sie ein permanentes elektrisches Dipolfeld aufbauen. Manchmal kann ein Magnetfeld auch den elektrischen Widerstand des Materials extrem stark verändern. Dieser kolossale Magnetowiderstand ähnelt dem Riesenmagnetowiderstand, auf dem die Leseköpfe von Festplatten basieren. So könnten Übergangsmetalloxide die Grundlage für eine künftige Spintronik bilden, welche die Ladung der Elektronen und auch deren magnetisches Moment für die Informationsverarbeitung nutzt.

Die Herstellung von oxidbasierten Schichtstrukturen mit atomarer Präzision ist erst seit Kurzem möglich. Um Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu erhalten, müssen im Labor eine Vielzahl von Parametern variiert werden. Da im Experiment mehrere Faktoren zusammenwirken, können allerdings die Ursachen oft nicht eindeutig identifiziert werden. Deshalb spielen komplexe quantenmechanische Simulationen eine große Rolle, mit deren Hilfe das Verhalten eines Materials auf der atomaren Ebene berechnet werden kann.

Entsprechend modellierten die Forscher um PD Dr. Rossitza Pentcheva am Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU die elektronischen Phänomene bei Übergangsmetalloxiden, indem sie die quantentmechanischen Wechselwirkungen einzelner Atome an den Grenzflächen zwischen LaAlO3- und SrTiO3-Schichten berechneten. "Wir haben einen neuen und besonders einflussreichen Parameter gefunden", sagt die Materialwissenschaftlerin. "Wie sich in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of California in Davis gezeigt hat, lässt eine SrTiO3 Deckschicht das System schon bei einem deutlich dünneren LaAlO3-Film elektrisch leitend werden." Experimente an der niederländischen Universität Twente haben dies bestätigt.

Weil LaAlO3 formal aus positiv und negativ geladenen Lagen besteht, ist seine Oberfläche polar. Um diesen Ladungsunterschied auszugleichen, entsteht an der Grenzfläche zum neutralen SrTiO3 ein Elektronengas. Zudem bildet sich an der Oberfläche des Systems eine Lage mit positiven Ladungsträgern, den Löchern - als Gegenstück zu den negativ geladenen Elektronen. Derartige Elektron-Loch-Paare sind Schlüsselelemente in der Halbleiterelektronik. So beruht etwa die Funktion von Solarzellen darauf, dass Licht ein Elektron auf ein neues Energieniveau hebt. Dabei bleibt ein Loch zurück. Im Gegensatz zu Halbleitern sind in diesem System die Elektron-Loch Schichten nur ein bis zwei Nanometer voneinander entfernt.

Solche Systeme könnten eine Schlüsselrolle für die weitere Miniaturisierung von Elektronik-Bauelementen spielen. "Wir wollen nun gezielt nach Materialkombinationen mit neuartigen elektronischen Eigenschaften suchen", sagt Pentcheva. Dieses Projekt soll im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs SFB/TRR80 "Von elektronischen Korrelationen zur Funktionalität" durchgeführt werden. (CR/suwe)

Publikation:
"Parallel electron-hole bilayer conductivity from electronic interface reconstruction",
R. Pentcheva, M. Huijben, K. Otte, W.E. Pickett, J.E. Kleibeuker, J. Huijben, H. Boschker, D. Kockmann, W. Siemons, G. Koster, H.J.W. Zandvliet, G. Rijnders, D.H.A. Blank, H. Hilgenkamp, and A. Brinkman

Physical Review Letters, 22. April 2010

Ansprechpartner:
PD Dr. Rossitza Pentcheva
Sektion Kristallographie
Department für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU
Tel: 089 / 2180 - 4352
Fax: 0 89 / 2180 - 4334
E-Mail: pentcheva.@lrz.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.kristallographie.geowissenschaften.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie