Halbleiter können sich wie Metalle oder Supraleiter verhalten

Forscher der Unis Rostock und Hamburg, sowie der Swansea University in Groß­britannien zeigen, dass Halbleiter sich wie Metalle und sogar wie Supraleiter verhalten können, wenn sie chemisch in bestimmter Weise ange­schnitten werden. Somit bestimmt die Formgebung die wesent­lichen physika­lischen Eigen­schaften. Das eröffnet die Entwicklung neuartiger Materialien in Physik und Chemie.

Das Team um Christian Klinke von der Uni Rostock und der Swansea University in Groß­britannien konnte zeigen, dass die Kristall­struktur an der Ober­fläche von Halb­leiter­materialien dazu führen kann, dass sie sich wie Metalle und bei niedrigen Temperaturen sogar wie Supra­leiter verhalten. Die chemische Synthese von Bleisulfid-Nano­drähten ermöglicht die gezielte Ausbildung spezieller Kristall­ober­flächen. Die Art der Anordnung der Blei- und Schwefel­atome auf den Facetten der Nano­strukturen bestimmt deren elektrische Eigen­schaften. In den meisten Konfigu­ra­tionen liegen beiden Arten von Atomen auf der Ober­fläche gemischt vor und die gesamte Struktur zeigt erwartungs­gemäß ein Halb­leiter­verhalten. Aber bei einem bestimmte Schnitt durch den Kristall, in der Ebene, in der nur Bleiatome zu finden sind, verhalten sich die Strukturen wie ein Metall. Das bedeutet, dass diese Nanodrähte viel höhere Ströme leiten können, ihr Transistor­verhalten unter­drückt wird, sie nicht wie Halbleiter auf Beleuchtung mit höherer Leit­fähig­keit reagieren und eine für Metalle typische Temperatur­abhängig­keit aufweisen.

„Nachdem wir heraus­gefunden haben, dass wir Blei­sulfid-Nanodrähte mit unter­schied­lichen kristal­linen Ebenen syntheti­sieren können, wodurch sie wie gerade oder Zickzack-Drähte aussehen, dachten wir, dass dies interes­sante Konsequenzen für ihre elektro­nischen Eigen­schaften haben muss. Aber diese beiden Verhaltens­weisen haben uns ziemlich über­rascht“, sagt Mehdi Ramin von der Uni Hamburg. „Daher haben wir begonnen, die Konsequenzen der Form genauer zu unter­suchen.“ Die Wissen­schaftler fanden heraus, dass sich die Ober­fläche der Nano­strukturen bei niedrigen Tempera­turen sogar wie ein Supraleiter verhält und gar keinen elektrischen Wider­stand aufweist.

„Dieses Verhalten ist erstaunlich und muss auf jeden Fall genauer unter­sucht werden. Die Ergebnisse ergeben jedoch bereits jetzt neue spannende Einblicke, wie dasselbe Material je nach seiner Struktur unter­schied­liche grund­legende physi­ka­lische Eigen­schaften besitzen kann. Verlust­freier Energie­transport ist nur einer dieser Träume“, so Klinke. Durch weitere Optimierung und Über­tragung des Prinzips auf andere Materialien können erhebliche Fort­schritte erzielt werden, die zu neuen effizien­teren elektro­nischen Geräten führen können.

U. Rostock / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. M. Ramin Moayed et al.: Function Follows Form: From Semiconducting to Metallic toward Superconducting PbS Nanowires by Faceting the Crystal, Adv. Funct. Mat., online 16. März 2020; DOI: 10.1002/adfm.201910503
• Nanostructures and Nanomaterials (C. Klinke), Institut für Physik, Universität Rostock
• AG Beck, Institut für physikalische Chemie, FB Chemie, Universität Hamburg