Elektronen verschieben Atominseln

Bisher genaueste Analyse der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Metallionen zeigt Wege zu leistungsfähigeren Schaltkreisen auf.

Mit stetig schrumpfenden Schaltkreisen in leistungsfähigen Prozessoren werden auch die Leiterbahnen immer kleiner. In Nanodrähten mit Durchmessern von wenigen Milliardstel Metern treten Effekte auf, die im makroskopischen Maßstab keine Rolle gespielt haben. Da diese sowohl nützlich aber auch hinderlich für filigrane Elektronikmodule sein können, ist eine genaue Analyse der Nanoeffekte von großer Bedeutung. Dieses Ziel verfolgten amerikanische Physiker mit Detailaufnahmen, auf denen sich die Verlagerung von Inseln aus Silberatomen in Abhängigkeit vom Stromfluss beobachten ließen.

Abb.: Abhängig von der Richtung des Elektronenflusses bewegen sich Inseln aus Silberatomen in Nanodrähten aufwärts (o.) oder abwärts (u.). (Bild: Science)

"In metallischen Nanodrähten können elektrische Ströme Strukturveränderungen durch Elektromigration verursachen", erläutern Chenggang Tao und seine Kollegen vom Department of Physics der University of Maryland in College Park. Mit einem Rastertunnelmikroskop betrachteten sie das Verhalten von Inseln aus 100 bis 100.000 Silberatomen auf der Oberfläche eines Nanodrahts. Zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommene Bilder zeigten, dass sich diese Inseln mit Durchmessern zwischen 2 und 50 Nanometern in Abhängigkeit von dem Stromfluss und von ihrer Größe verschoben.

Bei einer Stromdichte von etwa 7 Milliarden Ampère pro Quadratmeter dauerte es bei einer Probentemperatur von 45 Grad Celsius eine gute Viertelstunde bis sich die Inseln um 40 bis 90 Nanometer verlagerten. Dabei erreichten sie eine maximale Geschwindigkeit von etwa einem Zehntel Nanometer pro Sekunde. Die Wanderrichtung war dabei entgegengesetzt zum Stromfluss und in der gleichen Richtung wie der Elektronenfluss. In der Elektromigration lag die Ursache für diese Bewegung, bei der Kollisionen von Elektronen mit den Ionen und auch das elektrische Feld eine Kraft auf die Metallionen ausübten.

In weiteren Versuchen konnten Tao und Kollegen die Elektromigration durch Beimischungen von Kohlenstoff-60-Fullerenen in den Nanodraht drastisch reduzieren. Da die C-60-Cluster eine Vielzahl der Elektronen absorbieren konnten, konnte die auf die Silberionen wirkende Kraft reduziert und damit die Wanderung der Metallinseln stark eingeschränkt werden.

Diese Versuche zeigen, wie sich ein Elektronenfluss quantitativ auf die Strukturveränderungen in Nanodrähten auswirken kann. Durch die Charakterisierung solcher Transportphänomene und deren Kontrolle könnten sich nun leichter Schaltverhalten, Rauschentwicklung und Zuverlässigkeit von winzigen elektronischen Schaltkreisen erklären lassen. Chipentwickler werden für den Bau noch kleinerer Prozessoren diese Effekte mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr vernachlässigen können.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• P. S. Ho, T. Kwok: Rep. Prog. Phys. 52, 301 (1989)
• H. Yasunaga, A. Natori: Surf. Sci. Rep. 15, 205 (1992)
• S. Heinze, N.-P. Wang, J. Tersoff: Phys. Rev. Lett. 95, 186802 (2005)

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