Atomen und Elektronen bei der Arbeit zusehen

Welche Eigenschaften Materialien haben, wird durch ihre atomare Struktur bestimmt. Ver­ändern Atome und Elek­tronen ihre Anord­nung, ändern sich auch die Merk­male eines Materials. Welche komplexen Prozesse dabei ablaufen, unter­sucht eine Arbeits­gruppe der Uni Kiel anhand des einzig­artigen Materials Tantal­disulfid. Auf die Herstel­lung dieses Schicht­kristalls ist die Gruppe spezia­li­siert, ihre Proben dienen Forschungs­teams welt­weit als Grund­lage für Experi­mente zu dyna­mischen Prozessen in Materi­alien. Gemein­sam mit Forschern anderer Univer­si­täten konnte das Team der Uni Kiel bis­lang unbe­kannte Phäno­mene in der Bewe­gung von Elek­tronen und Atomen auf­zeigen. Die Ergeb­nisse der Studien könnten lang­fristig zum Beispiel darüber Auf­schluss geben, wie diese Bewe­gungen gesteuert und somit Eigen­schaften von Materi­alien gezielt geändert werden könnten.

„Tantaldisulfid ist ein eigener Nanokosmos, unglaublich reich an quanten­physi­ka­lischen Phäno­menen“, erklärt Kai Roß­nagel von der Uni Kiel und dem DESY. „Das bietet uns schier uner­schöpf­liche Unter­suchungs­möglich­keiten.“ Wird es zum Beispiel gekühlt oder Licht­blitzen aus­ge­setzt, ordnen sich seine Atome und Elek­tronen neu an. Das Material wird so vom Strom­leiter zum Iso­lator oder umge­kehrt. Mithilfe des Schicht­kristalls wollen Roß­nagel und seine Kollegen zum einen besser ver­stehen, wie solche beson­deren Material­eigen­schaften ent­stehen. Zum anderen wollen sie heraus­finden, wie und wie schnell sich Eigen­schaften ändern lassen. Hier kommt ihnen der ein­fache schicht­artige Auf­bau des Tantal­disulfids zugute. Er ermög­licht es, quanten­physi­ka­lische Phäno­mene ein­facher zu inter­pretieren. „Tantal­disulfid eignet sich des­halb hervor­ragend als Referenz­material für die Fest­körper­physik. Hier gewon­nene Erkennt­nisse lassen sich auch auf andere Materi­alien über­tragen“, so Roßnagel.

Bei Tantaldisulfid handelt es sich um eine Art Kristall-Sandwich. Zwischen zwei Lagen aus Schwefel­atomen befindet sich eine Schicht des metal­lischen Tantals. Zusammen sind sie gerade einmal einen halben Nano­meter dick. Mehrere der drei­lagigen Stapel über­ein­ander bilden schließ­lich den Schicht­kristall. In Roßnagels Arbeits­gruppe bündeln sich über 35 Jahre Erfahrung in der Her­stel­lung und Analyse des begehrten Unter­suchungs­materials. Die hoch­reinen chemischen Aus­gangs­stoffe Tantal und Schwefel werden in eine Quarz­ampulle gegeben und ihre beiden Enden anschlie­ßend in einem Spezial­ofen unter­schied­lich stark erhitzt. So wachsen in sechs bis acht Wochen die mehr­schich­tigen Kristalle in der Ampulle heran. In den ver­gangenen Jahren haben sich die Proben des Kieler Tantal­disulfids zu einem Marken­zeichen in der inter­natio­nalen Nano­forschung ent­wickelt. Auf­grund ihrer Qualität beziehen Forschungs­gruppen welt­weit die Kristalle für ihre Experi­mente aus Kiel.

In einer Kooperation mit der Uni Aarhus untersuchten die Wissen­schaftler, wie sich Elek­tronen inner­halb eines Tantal­disulfid-Kristalls bewegen. In Spektro­skopie-Experi­menten bei niedrigen Tempe­ra­turen stellten sie fest, dass ihre Beweg­lich­keit zwischen den Schichten deut­lich höher war als ent­lang der Schichten. „Dass die ein­zelnen Schichten gewisser­maßen mit­ein­ander sprechen und Strom leichter senk­recht zwischen den Schichten fließt, hat uns über­rascht“, Roßnagel die Ergeb­nisse ein. Warum die Elek­tronen bei tiefen Tempe­ra­turen inner­halb einer Schicht Tantal­disulfids so unbeweg­lich sind, unter­suchte das Team der Uni Kiel zusammen mit Kollegen Unis Duisburg-Essen, Hamburg und Fribourg in der Schweiz. Sie setzten von außen freie Elek­tronen auf eine Schicht Tantal­disulfid. Da an allen Atomen bereits ein Elektron gebunden ist und sich elek­trisch negativ geladene Elek­tronen gegen­seitig abstoßen, hüpften die Elek­tronen von Atom zu Atom. In ihren Experi­menten konnten die Wissens­chaftler messen, wie lange ein Elektron dafür benötigt. „Wir konnten damit zum ersten Mal explizit nach­weisen, warum der Strom­fluss an dieser Stelle unter­bunden wird: Die Elek­tronen stehen sich quasi selbst im Weg“, so Roßnagel.

In einer weiteren Studie mit der Uni Göttingen untersuchten die Wissen­schaftler schließ­lich den Ablauf ultra­schneller Struktur­umwand­lungen in Tantal­disulfid. Dank einer neuen Methode aus Göttingen konnte die atomare Umord­nung in Super-Zeit­lupe auf­ge­nommen werden: Die schlag­artig aus ihrer regel­mäßigen Forma­tion getrie­benen Atome fanden ihre Position in der neuen Struktur erst allmäh­lich über zunächst ver­ein­zelte geord­nete Bereiche, die langsam größer wurden und zusammen­wuchsen.

Noch ist Tantaldisulfid ein Material aus der Grundlagenforschung, doch grund­sätz­lich sind damit neue elek­tro­nische Bauteile denkbar. „Letzt­end­lich ist Tantal­disulfid ein Schalter. Eines Tages wäre damit ein ultra­schneller Transistor möglich“, so Roßnagel. In Zukunft will er die Prozesse in dem Schicht­kristall mit dem Hoch­leistungs­röntgen­laser European XFEL in Echt­zeit beob­achten. „Mit jeder neuen Mess­methode machen wir in dem Material neue Ent­deckungen. Hier werden wir den Atomen zusammen mit den Elek­tronen gewisser­maßen live bei der Arbeit zuschauen.“ Als Sprecher eines inter­natio­nalen Konsor­tiums leitet Roßnagel zurzeit den Aufbau eines Experi­ments für ultra­schnelle Spektro­skopie am European XFEL. Für 2019 sind die ersten Ver­suche geplant. Sie sollen dazu bei­tragen, das Ver­ständnis des Nano­kosmos ent­scheidend zu erweitern.

CAU / RK