Metall-Isolator-Materialien: Wie heiße Elektronen wirken

Sehen kann man sie zwar nicht, doch ihr Energie­fluss lässt sich verfolgen: Forscher der Uni Duisburg-Essen haben die Energie­über­tragung in einem Metall-Isolator-Material unter­sucht. Lang­fristig könnten die Ergebnisse ihrer Unter­suchung dazu beitragen, das Wärme­problem in der Mikro­elektronik durch gezieltes Material­design zu lösen.

Laptops und Server – sie wären zum Hitzetod verurteilt, gäbe es nicht energie­fressende und voluminöse Technik, um die empfind­lichen Schaltungen zu kühlen. Ungewollte, bisher aber nicht vermeid­bare Abwärme ist ein teures Problem. Verfolgt man ihre Ursache bis auf die atomare Ebene zurück, so landet man beim Elektron, das sich seinen Weg durch verschiedene Materialien bahnt. Aber wie genau?

Das hat das Team um Andrea Eschenlohr von der Uni Duisburg-Essen unter­sucht. Dazu haben die Forscher ein Material, das im Wechsel aus dünnen Schichten Metall (Eisen) und Isolator (Magnesium­oxid) besteht, mit einem Anrege-Abfrage-Verfahren unter­sucht: Ein Laser­puls bringt Energie in das System ein, kurze Zeit später liest ein Röntgen­strahl in einer Moment­aufnahme aus, wie sie sich in Form heißer Elektronen im Material ausbreitet. „Wenn wir den zeit­lichen Abstand beider Pulse gleich­mäßig vergrößern, dann können wir den Prozess wie in einem Film verfolgen“, erklärt Eschenlohr.

Das Ergebnis: In weniger als einer Piko­sekunde regen die heißen Elektronen das Metall­gitter an. Fast gleich­zeitig beginnt die Grenz­fläche zwischen den Materialien zu schwingen. Eine weitere Piko­sekunde später reagiert auch der Isolator. „Letzteres hat uns über­rascht“, so Eschenlohr, „wir hätten nicht erwartet, dass diese Grenz­flächen­schwingungen so wichtig sind.“ Theoretische Simu­la­tionen bestätigten die Ergebnisse im Detail.

Im nächsten Schritt wollen die Wissen­schaftler nun komplexere Systeme unter­suchen und die Ergebnisse möglichst verall­ge­meinern. Auf lange Sicht ließe sich so vielleicht ein genau abgestimmter Materialmix für verschiedene Aufgaben maß­schneidern und das Problem mit der Abwärme lösen.

UDE / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  N. Rothenbach et al.: Microscopic nonequilibrium energy transfer dynamics in a photoexcited metal/insulator heterostructure, Phys. Rev. B 100, 174301 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevB.100.174301
• SFB „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“, Universität Duisburg-Essen