Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kontroverse geklärt: Warum zwei Isolatoren gemeinsam Strom leiten können

04.07.2012
Wie kann es sein, dass zwei Materialien, die keinen Strom leiten, eine elektrisch leitende Schicht bilden, wenn man sie miteinander verbindet?
Seit Entdeckung dieses Effekts 2004 haben Forschende verschiedene Ansätze entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Paul Scherrer Instituts die Kontroverse wohl entschieden.

Sie haben gezeigt, dass es die Kombination der Eigenschaften der beiden Materialien ist, die den Effekt erzeugt und damit die Vorstellung widerlegt, dass sich an der Grenzfläche die Materialien vermischen und ein neues leitendes Material bilden. Die untersuchten Materialien sind sogenannte Perowskite – Angehörige einer grossen Klasse von Materialien mit interessanten elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die eine wesentliche Rolle für zukünftige elektronische Geräte spielen dürften. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Im Jahr 2004 entdeckten Forscher etwas Erstaunliches: verbindet man die beiden Substanzen SrTiO3 und LaAlO3, die beide selbst keinen Strom leiten, bildet sich an der Grenzfläche eine dünner elektrisch leitender Bereich. Gleich entstanden mehrere Ansätze, die den Effekt erklären sollten, und zu andauernden Kontroversen führten. „Es gibt Konferenzen, auf denen sich die Mehrheit aller Beiträge mit diesem Effekt beschäftigen“ erzählt Mathilde Reinle-Schmitt, Forscherin am PSI und Erstautorin der hier vorgestellten Arbeit. Bis heute überlebt haben im Wesentlichen zwei Erklärungsansätze. Um Klarheit in die kontroversen Ansätze zu bringen haben Forschende des PSI mit Kollegen der Uni Genf entsprechende Experimente durchgeführt. Wichtige theoretische Einsichten zu diesen Experimenten haben Forscher der Université de Liège beigetragen.

Vermischung oder polare Katastrophe?

Die beiden untersuchten Substanzen sind komplex aufgebaute Oxide – sogenannte Perowskite – mit einer typischen Ebenenstruktur. In SrTiO3 wechseln sich Ebenen aus Strontiumoxid (SrO) mit solchen aus Titandioxid (TiO2) ab; in LaAlO3 sind es Ebenen von Lanthanoxid (LaO) und Aluminiumdioxid (AlO2). Dabei unterscheiden sich die beiden Substanzen in einem Punkt: in SrTiO3 sind beide Ebenen elektrisch neutral, in LaAlO3 sind sie abwechselnd positiv und negativ geladen. Die Kombination zweier solcher Materialien führt nach Ansicht einer Gruppe von Forschern zur Entstehung hochbeweglicher Elektronen an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien – Elektronen, die den elektrischen Strom transportieren und so das Material leitend machen. Aber erst wenn die LaAlO3-Schicht ausreichend dick ist. Sonst ist die Materialkombination ein Isolator. Dieser Ansatz ist als «polare Katastrophe» bekannt. Andere Forscher sind hingegen davon überzeugt, dass die Leitfähigkeit entsteht, weil bekanntermassen sich die beiden Substanzen an der Grenzfläche vermischen und das der Ursprung einer neuen, leitenden Substanz ist.

Das passende Experiment

Um die Kontroverse zu klären, wollten die Forschenden die Frage klären: «ist ein Gemisch der beiden Substanzen leitend?» Dazu Mathilde Reinle-Schmitt: «Wir haben wieder mit SrTiO3 als Unterlage angefangen und darauf Gemische von SrTiO3 und LaAlO3 in verschiedenen Mischverhältnissen und Schichtdicken aufgebracht und die Leitfähigkeit gemessen. Das Ergebnis war überraschend: für dünne Schichten des aufgetragenen Gemisches war das System ein Isolator, für dickere Schichten wurde die Grenzfläche leitend. Und zwar muss die Schicht umso dicker sein, je weniger LaAlO3 in dem Gemisch enthalten ist. Diese Ergebnisse entsprechen perfekt den Voraussagen der polaren Katastrophe», so Claudia Cancellieri, PSI-Forscherin und zweite Autorin des Artikels «es wäre sehr schwierig, diese Ergebnisse mit Hilfe der Vermischung zu erklären.»

Vielfältige Anwendungen in Sicht

Perowskite, zu denen die untersuchten Substanzen gehören, haben oft interessante elektrische und magnetische Eigenschaften, die zum Teil noch nie in anderen Materialien beobachtet worden sind. Eine weitere wichtige Besonderheit nennt Philip Willmott, Leiter der Arbeitsgruppe am PSI: «Im Gegensatz zu den heute genutzten Halbleitern, haben verschiedene Perowskite eine ähnliche Struktur und lassen sich so leicht zusammenfügen, so dass man leicht verschiedene Eigenschaften in einem Baustein kombinieren könnte – Supraleiter mit Materialien, die sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren oder solchen, mit denen man Substanzen in der Luft nachweisen kann.» Materialien, in denen der Strom nicht in alle drei Raumrichtungen fliessen kann, sondern in nur einer oder wie hier zwei sind auch ein aktuelles Forschungsthema, das zahlreiche Anwendungen erwarten lässt.
Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt / Ansprechpartner

Prof. Philip Willmott, Labor für Synchrotronstrahlung – Kondensierte Materie;
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
Telefon: +41 56 310 51 26; E-Mail: philip.willmott@psi.ch

Prof. Jean-Marc Triscone, DPMC, Université de Genève
24, quai Ernest-Ansermet, CH-1211 Genève 4,
Telefon: +41 22 379 66 55; E-Mail: Jean-Marc.Triscone@unige.ch

Prof. Philippe Ghosez, Université de Liège, Institut de Physique, B5a,
Allée du 6 août, 17, B-4000 Sart Tilman, Belgien,
Telefon: +32 43 66 36 11; E-Mail: Philippe.Ghosez@ulg.ac.be

Originalveröffentlichung

Tunable conductivity threshold at polar oxide interfaces
M.L. Reinle-Schmitt, C. Cancellieri, D. Li, D. Fontaine, M. Medarde, E. Pomjakushina, C.W. Schneider, S. Gariglio,
Ph. Ghosez, J.-M- Triscone, P.R. Willmott
Nature Communications:
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1936

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://i.psi.ch/CgfW
http://www.psi.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
17.07.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

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: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics