Organischer Wackelwiderstand

Ein Thyristor aus einem einkristallinen organischen Salz wandelt Gleich- in Wechselstrom um.

Herkömmliche Thyristoren sind Halbleiterbauelemente, die ein bistabiles Verhalten zeigen: Ihr elektrischer Widerstand kann zwischen einem hohen und einem niedrigen Wert hin- und hergeschaltet werden. Mit dieser Eigenschaft finden Thyristoren vielfältige praktische Anwendungen, z. B. in elektrischen Schaltern, in Leistungsreglern etwa für Motoren, in Spannungswandlern, z. B. zur Wandlung von Gleich- in Wechselstrom und umgekehrt, und beim Überspannungsschutz. Halbleiterthyristoren bestehen aus vier unterschiedlich dotierten Schichten. Ihre pnpn-Struktur entspricht einer Schaltung, in der ein npn-Transistor und ein pnp-Transistor sich gegenseitig steuern – was zur Bistabilität führt.

Einen neuartigen Thyristor, der homogen aufgebaut ist und aus einem elektrisch leitenden organischen Salz besteht, haben jetzt Ichiro Terasaki und seine Kollegen von der Waseda University in Tokyo entwickelt. Es handelt sich dabei um die Substanz θ-(BEDT-TTF) ₂CsCo(SCN) ₄, wobei BEDT-TTF für Bis(Ethylendithio)-Tetrathiafulvalen steht. Dieses Salz hat eine molekulare Schichtstruktur, bei der sich elektrisch leitende BEDT-TTF-Schichten mit nichtleitenden CsCo(SCN) ₄-Schichten abwechseln. Das θ bedeutet, dass die BEDT-TTF-Moleküle in den leitenden Schichten in einem Dreiecksgitter angeordnet sind.

Die Leitfähigkeit der BEDT-TTF-Schichten geht auf Elektronenfehlstellen oder Löcher zurück. Die positiv geladenen Löcher stoßen einander ab und verteilen sich in den leitfähigen Schichten. Bei sehr tiefen Temperaturen lokalisieren die Löcher und können in den Schichten unterschiedliche Ladungsmuster bilden, die unterschiedliche Leitfähigkeit des Materials zur Folge haben. Da diese Ladungsmuster miteinander konkurrieren, kann man zwischen ihnen hin- und herschalten. Daraus resultieren die bistabilen elektrischen Eigenschaften des Salzes.

Frühere Experimente mit anderen BEDT-TTF-Salzen haben eine erstaunliche Vielfalt von Materialeigenschaften zutage gefördert. Unter diesen Salzen findet man – je nach eingebauten Metallkationen – Nichtleiter, Metalle und sogar Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 3,6 Kelvin. Das entsprechende CsZn-Salz zeigte senkrecht zur Schichtstruktur einen ungewöhnlich starken nichtlinearen Widerstand: Die elektrische Leitfähigkeit wurde hundertmal größer, wenn die angelegte Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschritt.

Das jetzt untersuchte CsCo-Salz hat noch ungewöhnlichere Eigenschaften. Bei ihren Experimenten benutzten die Forscher hauchdünne, staubkorngroße Plättchen des einkristallinen Materials, die sie in eine elektrische Messschaltung einbauten und auf etwa 4 Kelvin abkühlten. Je nach angelegter Spannung und eingestelltem Strom zeigten die Plättchen sehr unterschiedliche elektrische Widerstände, die mit zunehmender Spannung von etwa 10 ⁶ Ω abrupt auf 10 ³ Ω sprangen. Dabei zeigte sich eine Hysterese: Die jeweilige Spannung, bei der ein solcher Widerstandssprung stattfand, hing davon ab, ob die Spannung langsam erhöht oder verringert wurde. Außerdem hing die Sprungspannung auch von der Stromstärke ab.

Die winzigen Salzplättchen hatten also die bistabilen elektrischen Eigenschaften von Thyristoren. Das nutzten die Forscher aus, um mit Gleichspannung Wechselstrom zu erzeugen. Wenn sie eine Spannung von 6 Volt an ihren organischen Thyristor anlegten, ließ er einen leicht verrauschten Gleichstrom durch. Erhöhten sie die Spannung auf 6,3 Volt, dann erzeugte der Thyristor einen Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 40 Hertz, die mit zunehmender Spannung immer stabiler wurde. Das organische Salz wurde durch die angelegte Spannung in einen bistabilen Zustand getrieben, der einen oszillierenden Strom zu Folge hatte.

Auch wenn die mikroskopischen Details dieses Verhaltens noch nicht völlig aufgeklärt sind, so ergibt sich doch folgendes Bild: Bei einer Spannung von 6 Volt fließt ein nicht zu großer Strom, sodass das geordnete Ladungsmuster in den leitfähigen Ebenen des Salzes stabil bleibt. Bei etwa 6,3 Volt ist der Strom jedoch groß genug, dieses Ladungsmuster „schmelzen“ zu lassen. Es bildet sich ein anderes Ladungsmuster, das einen größeren Widerstand hat. Der Strom nimmt daraufhin wieder ab und es entsteht wieder das ursprüngliche Ladungsmuster. Diese Vorgänge wiederholen sich, sodass es zu einem Wechselstrom kommt.

Bisher arbeitet der organische Thyristor nur bei sehr tiefen Temperaturen. Doch die japanischen Forscher sind auf der Suche nach Materialen, die auch einen Betrieb bei Zimmertemperatur ermöglichen. Darüber hinaus könnten die organischen Salze noch so manche weitere Überraschung bereithalten.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  F. Sawano et al.: An organic thyristor. Nature 437, 522 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04087  
• Homepage der Gruppe von Ichiro Terasaki an der Waseda University in Tokyo:
  http://www.f.waseda.jp/terra/eng/index-e.html  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Thyristor finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorieverknüpfung Materialphysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• Hatsumi Mori et al.: Systematic study of the electronic state in theta -type BEDT-TTF organic conductors by changing the electronic correlation. Phys. Rev. B 57, 12023 (1998).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.57.12023  
• Tomohito Nakano & Ichiro Terasaki: Giant nonlinear conduction and thyristor-like negative derivative resistance in BaIrO3 single crystals (2005).
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0509433  
• K. Inagaki et al.: Large dielectric constant and giant nonlinear conduction in the organic conductor theta-(BEDT-TTF) ₂CsZn(SCN) ₄. J. Phys. Soc. Jpn. 73, 3364 (2004).
  http://jpsj.ipap.jp/link?JPSJ/73/3364
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0409237