Freiheit durch Fehlstellen

Normalerweise erzeugt man Mikroelektronik-Bauteile aus Silizium oder ähnlichen Halbleitern. Seit einiger Zeit allerdings beschäftigen sich Forscher intensiv mit den elektronischen Eigenschaften von Metalloxiden. Sie sind komplizierter, aber genau dadurch hat man auch mehr Möglichkeiten, ihre Eigenschaften zu verändern und genau nach Wunsch anzupassen. Ein wichtiger Durchbruch gelang nun Forschern an der TU Wien: In Strontium-Titanoxid konnten sie ein stabiles zweidimensionales Elektronengas herstellen. In einer Ebene knapp unterhalb der Oberfläche können sich die Elektronen frei bewegen und dabei unterschiedliche Quantenzustände einnehmen.

Dadurch bietet sich das Material nicht nur als mögliche Alternative zu gewöhnlichen Halbleitern an, zusätzlich sollen sich auch noch weitere exotische Effekte erzielen lassen, die in Standard-Halbleitermaterialien nicht vorkommen – etwa Supraleitung, Thermoelektrizität oder Magnetismus.

Theoretische Berechnungen und experimentelle Arbeiten gingen bei diesem Forschungsprojekt Hand in Hand: Zhiming Wang aus dem Team von Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik führte die experimentellen Messungen durch, zum Teil auch am Synchrotron des BESSY in Berlin. Zhicheng Zhong aus der Forschungsgruppe von Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik untersuchte das Material in Computersimulationen.

Die Atome von Strontium-Titanoxid sind nicht überall genau gleich angeordnet: Wenn man einen Kristall dieses Materials in der richtigen Richtung schneidet, dann ordnen sich die Atome an der Oberfläche anders an als die Atome im Inneren des Materials. „Während im Inneren jedes Titanatom sechs Sauerstoffatome als Nachbarn hat, ist an der Oberfläche jedes Titanatom nur mit vier Sauerstoffatomen verbunden“, erklärt Ulrike Diebold. Genau dadurch bleibt die Oberfläche stabil und wird nicht, wie andere vergleichbare Materialien, durch den Kontakt mit Wasser oder Sauerstoff zerstört.

Erstaunliches geschieht, wenn man das Material mit kurzwelligem, energiereicher Strahlung beleuchtet: „Durch die Strahlung können Sauerstoffatome aus der Oberfläche herausgelöst werden“, erklärt Ulrike Diebold. Wenn das geschieht, kommen allerdings Sauerstoffatome aus dem Inneren des Materials nach und wandern an die Oberfläche. Dadurch entsteht dann im Inneren, ganz knapp unter der Oberfläche, ein Mangel an Sauerstoffatomen und ein Überschuss an Elektronen.

„Diese Elektronen, innerhalb einer zweidimensionalen Schicht, knapp unterhalb der Oberfläche, können sich recht frei bewegen – man spricht in diesem Fall von einem Elektronengas“, erklärt Karsten Held. Hinweise für das Entstehen eines zweidimensionalen Elektronengases in ähnlichen Materialien gab es bereits – doch die Herstellung eines stabilen, haltbaren Elektronengases war bisher noch nie gelungen.

Bemerkenswert ist auch, dass sich die Eigenschaften diese Elektronen sehr fein einstellen lassen: Je nachdem wie intensiv man das Material bestrahlt, lässt sich die Anzahl der Elektronen variieren. Auch durch den Einbau anderer Atomsorten kann man die elektronischen Eigenschaften anpassen. „Wichtig in der Festkörperphysik ist die sogenannte Bandstruktur des Materials – der Zusammenhang zwischen der Energie und dem Impuls der Elektronen. Das Erstaunliche an der untersuchten Oberfläche ist, dass sich hier die Bandstruktur von Quantenniveau zu Quantenniveau vollkommen ändert“, erklärt Karsten Held.

Im Elektronengas des neuen Materials lässt sich eine Vielfalt verschiedener elektronischer Strukturen finden, darunter auch solche, die ganz spezielle magnetische Effekte oder Supraleitung möglich erscheinen lassen. Diese vielversprechenden Eigenschaften von Strontium-Titanoxid sollen nun in weiteren Forschungsarbeiten untersucht werden. Durch äußere elektrische Felder oder das Aufbringen zusätzlicher Metallatome an der Oberfläche könnte das neue Material, so hofft man an der TU Wien, noch weitere Geheimnisse preisgeben.

TU Wien / DE