Kolloidale Spintronik

Nanokristalle, die nasschemisch, also in einer Lösung hergestellt wurden, stecken heute schon unter anderem in den neusten TV-Bildschirmen. Eine Forscher­gruppe um Christian Klinke vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Hamburg hat nun eine spezielle Eigenschaft in solchen Nano­strukturen nachgewiesen: In Bleisulfid-Nanoplättchen kann zirkular polarisiertes Licht Elektronen ausrichten und einen orientierten Strom erzeugen. Damit sind in Zukunft günstigere und leistungs­fähigere Transistoren und Computer­chips bei gleichzeitig geringerem Strom­verbrauch denkbar.

Die Gruppe um Christian Klinke ist spezialisiert auf die Herstellung und Charakterisierung zwei­dimensionaler Nano­kristalle. Die plättchen­förmigen Strukturen sind in ihren geometrischen, optischen und elektrischen Eigenschaften einstellbar. Das macht sie besonders interessant für eine Anwendung in Solar­zellen oder Computer­schalt­kreisen.

Wenn Licht durch optische Filter geleitet wird, kann es zirkular polarisiert werden, d. h. die Licht­teilchen erhalten einen bestimmten Spin. Durch die Beleuchtung mit zirkular polarisiertem Licht ist es möglich, elektrische Ladungen in Halbleiter­materialien auszurichten und in elektrischen Strom umzuwandeln, ohne dass eine Spannung angelegt wird. Diesen Rashba-Effekt konnten die Forscher jetzt in zweidimensionalen Bleisulfid-Nano­plättchen nachweisen. Wegen der Kristall­symmetrie der Nano­plättchen ist dieser Effekt normaler­weise dort nicht zu beobachten. Er trat erst durch den Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes auf, das die Symmetrie bricht.

Durch die Variation der Schicht­dicke der Nano­plättchen, des Charakters des verwendeten Lichtes und der Intensität der elektrischen Felder ließ sich der Effekt kontrollieren und gezielt an die anvisierten Anwendungen anpassen. Die experimentellen Beobachtungen wurden durch die Gruppe von Carmen Herrmann vom Institut für Anorganische und Angewandte Chemie der Universität Hamburg mit Simulationen der elektronischen Struktur der Materialien unterstützt.

„Die Erkenntnisse sind besonders wertvoll, da zum ersten Mal nachgewiesen werden konnte, dass grundlegende Effekte des elektrischen Spin-Transports auch in nass­chemisch erzeugten Nano­materialien möglich sind“, so Christian Klinke. „Wir konnten außerdem zeigen, dass die zwei­dimensionalen Materialien im chemischen Labor preiswert und im großen Maßstab produziert werden können und trotzdem von höchster Qualität sind.“

U. Hamburg / DE