Elektronik aus zweidimensionalem Elektronengas

Strontium-Titanoxid TU Wien

Normalerweise erzeugt man Mikroelektronik-Bauteile aus Silizium oder ähnlichen Halbleitern. Seit einiger Zeit wird allerdings intensiv an den elektronische Eigenschaften von Metalloxiden geforscht. Sie sind komplizierter, aber genau dadurch hat man auch mehr Möglichkeiten, ihre Eigenschaften zu verändern und genau nach Wunsch anzupassen.

Ein wichtiger Durchbruch gelang nun an der TU Wien: In Strontium-Titanoxid konnte ein stabiles zweidimensionales Elektronengas hergestellt werden. In einer Ebene knapp unterhalb der Oberfläche können sich die Elektronen frei bewegen und dabei unterschiedliche Quantenzustände einnehmen. Dadurch bietet sich das Material nicht nur als mögliche Alternative zu gewöhnlichen Halbleitern an, zusätzlich sollen sich auch noch weitere exotische Effekte erzielen lassen, die in Standard-Halbleitermaterialien nicht vorkommen – etwa Supraleitung, Thermoelektrizität oder Magnetismus.

Die äußerste Atomschicht und das Innere

Theoretische Berechnungen und experimentelle Arbeiten gingen bei diesem Forschungsprojekt Hand in Hand: Zhiming Wang aus dem Team von Prof. Ulrike Diebold (Institut für Angewandte Physik, TU Wien) führen die experimentellen Messungen durch, zum Teil auch am Synchrotron des BESSY in Berlin. Zhicheng Zhong aus der Forschungsgruppe von Prof. Karsten Held (Institut für Festkörperphysik, TU Wien) untersuchten das Material in Computersimulationen.

Die Atome von Strontium-Titanoxid sind nicht überall genau gleich angeordnet: Wenn man einen Kristall dieses Materials in der richtigen Richtung schneidet, dann ordnen sich die Atome an der Oberfläche anders an als die Atome im Inneren des Materials. „Während im Inneren jedes Titanatom sechs Sauerstoffatome als Nachbarn hat, ist an der Oberfläche jedes Titanatom nur mit vier Sauerstoffatomen verbunden“, erklärt Ulrike Diebold. Genau dadurch bleibt die Oberfläche stabil und wird nicht, wie andere vergleichbare Materialien, durch den Kontakt mit Wasser oder Sauerstoff zerstört. 

Wandernder Sauerstoff

Erstaunliches geschieht, wenn man das Material mit kurzwelligem, energiereicher Strahlung beleuchtet: „Durch die Strahlung können Sauerstoffatome aus der Oberfläche herausgelöst werden“, erklärt Ulrike Diebold. Wenn das geschieht, kommen allerdings Sauerstoffatome aus dem Inneren des Materials nach und wandern an die Oberfläche. Dadurch entsteht dann im Inneren, ganz knapp unter der Oberfläche, ein Mangel an Sauerstoffatomen und ein Überschuss an Elektronen.

„Diese Elektronen, innerhalb einer zweidimensionalen Schicht, knapp unterhalb der Oberfläche, können sich recht frei bewegen – man spricht in diesem Fall von einem Elektronengas“, erklärt Karsten Held. Hinweise für das Entstehen eines zweidimensionalen Elektronengases in ähnlichen Materialien gab es bereits – doch die Herstellung eines stabilen, haltbaren Elektronengases war bisher noch nie gelungen.

Bemerkenswert ist auch, dass sich die Eigenschaften diese Elektronen sehr fein einstellen lassen: Je nachdem wie intensiv man das Material bestrahlt, lässt sich die Anzahl der Elektronen variieren. Auch durch den Einbau anderer Atomsorten kann man die elektronischen Eigenschaften anpassen. „Wichtig in der Festkörperphysik ist die sogenannte Bandstruktur des Materials – der Zusammenhang zwischen der Energie und dem Impuls der Elektronen. Das erstaunliche an der untersuchten Oberfläche ist, dass sich hier die Bandstruktur von Quantenniveau zu Quantenniveau vollkommen ändert.“, erklärt Karsten Held.

Im Elektronengas des neuen Materials lässt sich eine Vielfalt verschiedener elektronischer Strukturen finden, darunter auch solche, die ganz spezielle magnetische Effekte oder Supraleitung möglich erscheinen lassen. Diese vielversprechenden Eigenschaften von Strontium-Titanoxid sollen nun in weiteren Forschungsarbeiten untersucht werden. Durch äußere elektrische Felder oder das Aufbringen zusätzlicher Metallatome an der Oberfläche könnte das neue Material, so hofft man an der TU Wien, noch weitere Geheimnisse preisgeben.

Rückfragehinweise:

Prof. Ulrike Diebold
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
+43-1- 58801-13425
ulrike.diebold@tuwien.ac.at

Prof. Karsten Held
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13710
karsten.held@tuwien.ac.at

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2014/elektronengas/ weitere Bilder

Media Contact

Dr. Florian Aigner Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Artikel über die Materialentwicklung und deren Anwendungen, sowie über die Struktur und Eigenschaften neuer Werkstoffe.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Neuartige Beschichtung gegen Eis

Das Material verzögert die Bildung von Eiskristallen und verringert die Adhäsion von Eisschichten. Dank einer innovativen Fertigungsmethode ist die Beschichtung sehr robust und haftet auf zahlreichen Oberflächen. Eisabweisende Beschichtungen gibt…

Bioabbaubare Materialien – In Bier verpackt

Empa-Forschende haben aus einem Abfallprodukt der Bierbrauerei Nanocellulose gewonnen und diese zu einem Aerogel verarbeitet. Der hochwertige Werkstoff könnte in Lebensmittelverpackungen zum Einsatz kommen. Am Anfang war die Maische. Das…

RISEnergy: Innovationen für die Klimaneutralität beschleunigen

Die EU strebt bis 2050 Klimaneutralität an. Das Projekt RISEnergy (steht für: Research Infrastructure Services for Renewable Energy) soll auf dem Weg dorthin die Entwicklung von Innovationen für erneuerbare Energien…

Partner & Förderer