20.05.2011

Eine Frage der Dimension

Die elektronischen und magnetischen Eigenschaften dünner Schichten eines Metalloxids hängen von der Zahl der übereinander gestapelten Atomlagen ab.

Die elektronischen und magnetischen Eigenschaften dünner Schichten eines Metalloxids hängen von der Zahl der übereinander gestapelten Atomlagen ab.

Die Halbleiter-Elektronik gerät allmählich aufgrund der steten Verkleinerung der Strukturen an ihre Grenzen. Eine Alternative könnten Metalloxide darstellen, da es unter ihnen Materialien gibt, die sich wegen ihrer magnetischen Eigenschaften als Speichermaterialien empfehlen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart hat beobachtet, wie sich die physikalischen Eigenschaften des Metalloxids Lanthannickeloxid ändern, wenn es in zweidimensionaler statt dreidimensionaler Form verarbeitet wird. Tatsächlich zeigt eine Schicht von zwei Materiallagen beim Abkühlen auf sehr tiefe Temperaturen ganz andere elektronische und magnetische Effekte als eine Schicht von vier Lagen.

Abb.: In einer Schicht aus zwei Lagen Lanthannickeloxid (oben) werden die Elektronen beim Abkühlen zunächst an positiv geladenen Rümpfen der Nickelatome lokalisiert. Sinkt die Temperatur weiter, richten sich die Spins antiparallel aus. In einer Schicht aus vier Lagen (unten) bleiben die Elektronen dagegen auch bei tiefen Temperaturen frei beweglich und ihre Spins bleiben ungeordnet. u.c. = unit cells (Bild: Abteilung Keimer/MPI für Festkörperforschung)

Die Wissenschaftler wählten für Ihre Untersuchungen das Metalloxid Lanthannickeloxid LaNiO3, das neben den elektronisch inaktiven Lanthan- und Sauerstoffatomen auch Nickel enthält, da Nickel eine spezielle Art von Elektronen mitbringt, die mit ihren magnetischen Momenten immer gut für physikalische Überraschungen sind. In einem massiven Stück ist davon allerdings nicht viel zu merken, und dazu gehören alle Proben, die dicker als vier Materiallagen sind. In dieser Form gehört Lanthannickeloxid zu den metallischen Leitern mit ungeordneten magnetischen Momenten. Das blieb auch so, als die Physiker eine Probe aus vier Lagen des Materials fast bis zum absoluten Nullpunkt der Temperatur bei minus 273 Grad Celsius abkühlten.

Bei einer Probe aus zwei Materiallagen zeigte sich hingegen ein gänzlich anderes Verhalten. Beim Abkühlen verlor das Material bei etwa minus 100 Grad seine elektrische Leitfähigkeit. Die dünne Schicht bringt die Elektronen nämlich 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. Darüber hinaus konnten die Forscher noch einen weiteren Effekt beobachten. Kühlten sie die dünne Probe weiter ab, etwa auf minus 220 Grad Celsius, nahm das Material eine antiferromagnetische Ordnung an, bei der die magnetischen Momente der Elektronen antiparallel ausgerichtet sind.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen beabsichtigen die Wissenschaftler als nächstes zu untersuchen, wie die Dimension der Probe die elektronischen Eigenschaften von Metalloxiden beeinflusst, die unterhalb einer bestimmten Temperatur supraleitend werden.

MPG / MH

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