Materialforschung in neuer Dimension

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Ein deutsch-schweizerisches Forscherteam hat zum ersten Mal präzise beobachtet, wie die physikalischen Eigenschaften einer Substanz von der Zahl ihrer atomarer Schichten abhängen. Dass sich diese Charakteristika nun auch auf diese Weise kontrollieren lassen, eröffnet neue Möglichkeiten. Damit können Stoffe identifiziert werden, die für Computerchips der Zukunft geeignet sind.

PSI-Forscher Thomas Prokscha neben dem Detektor, mit dem die Positronen nachgewiesen werden, die beim Myonen-Zerfall entstehen. (PSI, M. Fischer)

Die Halbleitertechnologie, seit Jahrzehnten Grundlage der Elektronik, stösst allmählich an ihre Grenzen. Werden elektronische Bauteile weiterhin immer kleiner, dürften Leiterbahnen und Transistoren bald auf die Grösse einzelner Atome schrumpfen. Diese winzigen Strukturen lassen sich mit den gängigen Methoden kaum noch kontrolliert herstellen; im Betrieb erzeugen sie wegen ihres elektrischen Widerstands so viel Hitze, dass sie rasch ihre Form verlieren. Die Ära der Halbleiter könnte in absehbarer Zeit an ein Ende gelangen. In Zukunft könnten andere Verbindungen wie Metalloxide ihre Rolle übernehmen. Unter den Metalloxiden gibt es Materialien, die sich wegen ihrer magnetischen Eigenschaften als Datenspeicher empfehlen und sogar solche, die Strom völlig ohne Widerstand leiten: die Supraleiter.

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Massgeschneiderte Elektronik

Eine Besonderheit der Metalloxide besteht darin, dass ihr elektronisches Verhalten stark von den Details ihres Aufbaus abhängt; kleine Veränderungen könnten Materialien mit den gewünschten Eigenschaften hervorbringen. Ein internationales Team um Alexander Boris und Bernhard Keimer am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart weist nun einen neuen Weg, um die Eigenschaften von Metalloxiden masszuschneidern. Die Wissenschaftler untersuchten das Metalloxid Lanthannickeloxid (LaNiO3). Dieses enthält neben den elektronisch inaktiven Lanthan- und Sauerstoffatomen auch Nickel. Nickel bringt Elektronen mit, die sich auf eine spezielle Art verhalten: Sie erzeugen ein magnetisches Moment und verhalten sich wie winzige Stabmagnete. Normalerweise ist davon allerdings nicht viel zu merken. Die winzigen Stabmagnete weisen in verschiedene Richtungen und das ganze Material ist im alltäglichen Sinn unmagnetisch, leitet dafür aber gut Strom.

Erst wenn man eine ganz dünne Probe herstellt, ändert sich das magnetische Verhalten. Die Probe ist so dünn, dass sie nur noch aus zwei Schichten des Materials besteht. Normalerweise sind es unzählige Schichten, die übereinander getürmt sind. Beim Abkühlen verliert das Material bei etwa minus 100 Grad Celsius seine elektrische Leitfähigkeit. Die dünne Schicht bringt die Elektronen in eine Zwangslage: Sie stossen sich gegenseitig ab, können sich aber nicht mehr gut aus dem Weg gehen. Daher bleiben sie jeweils an einem Atom mehr oder weniger stehen, und der Stromfluss versiegt.

Da die Elektronen, die den Strom transportieren, jetzt nur noch innerhalb der Schichten fliessen können (nicht mehr senkrecht zu ihnen) ist das System praktisch zweidimensional. So haben die Forschenden erstmals genau herausgearbeitet, wie die räumliche Dimension eines Materials sein physikalisches Verhalten beeinflusst. «Wir drehen gezielt an einer Stellgrösse, die Physiker bislang nur ungenau kontrollieren konnten», sagt Bernhard Keimer, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. So war es bisher unklar, welche Auswirkung die Dimension unter all den anderen Faktoren hat, die beim elektronischen und magnetischen Verhalten mitmischen. Und der Effekt ist immens, wie die Forscher nun feststellten.

Magnetische Ordnung bei minus 220 Grad

Die veränderte Leitfähigkeit war aber nicht der einzige Effekt der Schlankheitskur für das Metalloxid. Als die Physiker die dünne Probe noch weiter abkühlten, etwa auf minus 220 Grad Celsius, nahm das Material eine magnetische Ordnung an – die Minimagnete an den Elektronen richteten sich antiparallel aus, etwa so wie Stabmagnete, die abwechselnd mit ihren Nord- und Südpolen nebeneinander liegen. Physiker sprechen von einer anti-ferromagnetischen Ordnung.

In einer Probe mit vier Lagen verhält sich das Material wieder normal. «Wir können die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Materials also gezielt verändern, indem wir zwei Lagen des Materials ergänzen», sagt Bernhard Keimer. Die Dicke der Probe so exakt zu kontrollieren, stellte die Physiker bei ihrer Untersuchung vor die erste Herausforderung. «Bei den üblichen chemischen Verfahren weiss man eigentlich nicht so genau, was letztlich herauskommt», sagt Alexander Boris. Daher griffen die Forscher zu einer physikalischen Methode: dem Laserstrahlverdampfen, Englisch Pulsed Laser Deposition (PLD). In einer Vakuumkammer verdampfen sie dabei mit Laserpulsen das Lanthannickeloxid in sorgfältig dosierten Mengen. Das Metalloxid lagert sich auf einer nahezu perfekt ebenen und sauberen Oberfläche des Trägermaterials ab und bildet bei der richtigen Temperatur eine völlig geordnete, ebene Schicht der gewünschten Dicke.

Einblicke mit instabilen Elementarteilchen

Damit hatten die Forscher die experimentellen Herausforderungen aber noch nicht gemeistert. Denn es ist auch nicht einfach, eine solche Probe zu untersuchen. So ist es ziemlich knifflig, eine antiferromagnetische Ordnung in einer Schicht von nur gerade zwei Lagen zu ermitteln. Die Wissenschaftler setzten auf Myonen, instabile Elementarteilchen, die mithilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Sie ähneln Elektronen und verhalten sich ebenso wie diese wie winzige Stabmagnete. Sie sind aber wesentlich schwerer und vor allem instabil. Bringt man ein Myon in ein Material, in dem es von magnetischen Teilchen umgeben ist, wird seine eigene Magnetrichtung von dieser Umgebung beeinflusst. Als instabiles Teilchen zerfällt es nach einer gewissen Zeit und aus der Flugrichtung der Zerfallsprodukte kann man bestimmen, in welche Richtung die Magnetrichtung des Myons zuletzt gezeigt hat.

Die Myonenexperimente wurden von Forschern des Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, des Paul Scherrer Instituts PSI und der Forschungsgruppe um Professor Christian Bernhard an der Universität Freiburg (CH) an den Myonenanlagen des PSI durchgeführt. Hier gibt es den europaweit stärksten Myonenstrahl für Festkörperuntersuchungen. «Am PSI haben wir die weltweit einzige Anlage für Experimente mit niederenergetischen Myonen, bei denen man regulieren kann, mit welcher Geschwindigkeit sie auf die Probe treffen. Damit kann man auch festlegen, wie tief im Material die Myonen steckenbleiben», erklärt Thomas Prokscha Leiter der Gruppe Niederenergiemyonen am PSI. Das ist nötig, wenn man in sehr dünne Schichten schauen will. Man muss sicherstellen, dass das Myon tatsächlich in dieser Schicht bleibt. «Wir können die Myonen nicht so genau platzieren, dass sie in einem Material, das nur aus zwei Lagen besteht, steckenbleiben. Die Myonen spüren den Magnetismus aber noch gut genug, wenn sie ein wenig daneben landen», fügt Prokscha hinzu.

Auch die Messung der Leitfähigkeit hat ihre Tücken. Denn hier hilft es den Physikern kaum, an zwei Seiten der Probe Kabel anzuschliessen und den Stromfluss zu messen. «So akkurat die dünnen Schichten auch gewachsen sein mögen, irgendwo wird es immer eine Unebenheit geben», erklärt Alexander Boris. Eine gewöhnliche Messung der Leitfähigkeit würde an einer solchen Unebenheit scheitern, weil diese den Stromfluss unterbricht. Stattdessen nutzten die Forscher einen intensiven, infraroten Laserstrahl, den das ANKA Synchrotron in Karlsruhe liefert. Wie sich die Eigenschaften dieses Strahls ändern, wenn er an der Probe reflektiert wird, verrät den Forschern etwas über die Beweglichkeit der Elektronen im Material und damit über die Leitfähigkeit.

«Auf ähnliche Weise wollen wir nun untersuchen, wie die Dimension der Probe die elektronischen Eigenschaften von Metalloxiden beeinflusst, die unterhalb einer bestimmten Temperatur supraleitend werden», sagt Bernhard Keimer. Möglicherweise können sie Metalloxiden auf diese Weise Eigenschaften geben, mit denen sich auch das zunehmende Platzproblem auf Mikrochips lösen lässt.

(pd / Marco Rohner)

A: Situation bei nur zwei Schichten Lanthannickeloxid, B: Situation mit vier Schichten Lanthannickeloxid Erste Spalte: Struktur – die Schichten sind jeweils von einem anderen Material umgeben. Zweite Spalte: A: Bei tiefer Temperatur sind die Elektronen an die Atome gebunden – es kann kein Strom fliessen. B: Die Elektronen sind auch bei tiefen Temperaturen beweglich. Dritte Spalte: A: Die magnetischen Momente sind antiferromagnetisch geordnet (zeigen abwechselnd in die eine oder andere Richtung) B: Die magnetischen Momente sind ungeordnet. (Abteilung Keimer, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart)

 

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