Quantenfilm auf Kunststoff

Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR und der Universität Salerno in Italien hat entdeckt, dass dünne Filme aus Bismut den nicht­linearen Hall-Effekt aufweisen. Dieser Effekt könnte in Technologien zur kontrollierten Nutzung von Terahertz-Hochfrequenz­signalen auf elek­tronischen Chips bedeutsam sein. Bismut vereint gleich mehrere vorteilhafte Eigenschaften, die in dieser Kombination in anderen Systemen bisher nicht gefunden wurden. Der Quanteneffekt wird sogar bei Raum­temperatur beobachtet. Die dünnen Schichten lassen sich zudem auf Kunststoff­substrate aufbringen und könnten daher für moderne Hochfrequenz­technik-Anwendungen in Frage kommen.

„Wenn wir durch bestimmte Materialien einen Strom schicken, können sie eine Spannung senkrecht zum Stromfluss erzeugen. Wir Physiker nennen dieses Phänomen den Hall-Effekt, der eigentlich ein Sammelbegriff für Effekte ist, die die gleiche Wirkung haben, sich aber durch die zugrunde liegenden Mechanismen auf Elektronen­ebene unterscheiden. Typischerweise ist die registrierte Hall-Spannung linear von der angelegten Stromstärke abhängig“, sagt Denys Makarov vom Institut für Ionenstrahl­physik und Material­forschung am HZDR. Die meisten dieser Effekte sind auf den Einfluss von Magnetfeldern oder Magnetismus im Material zurückzuführen. 

Im Jahr 2015 entdeckte ein Forschungsteam jedoch, dass der Hall-Effekt auch ohne den Einfluss von Magnetismus auftreten kann. „Wir erreichen das mit Materialien, deren kristalline Anordnung Hall-Spannungen ermöglicht, die nicht mehr linear mit dem Strom zusammenhängen“, sagt Carmine Ortix vom Fachbereich Physik der Universität Salerno. Dieser Effekt ist von großem Interesse, weil er neuartige Bauteile für die Hochgeschwin­digkeits-Elektronik ermöglicht.

Die beiden Forscher haben sich auf die Suche nach geeigneten Materialien und möglichen praktischen Anwendungen dieses nichtlinearen Hall-Effekts gemacht. Während Ortix ein theoretischer Physiker ist, bringt Makarov das experimentelle Know-how ein – und die Verbindung zu anderen Instituten am HZDR, die mit ihrer Expertise maßgeblich an den Arbeiten beteiligt sind. „Wir haben uns mit Kolleginnen und Kollegen aus dem ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlungs­quellen, dem Hochfeld-Magnetlabor und dem Institut für Ressourcenökologie zusammen­geschlossen. Das gemeinsame Ziel: ein geeignetes Material zu finden, bei dem dieser Quanten­effekt bei Raumtemperatur kontrolliert auftritt und das zudem einfach zu handhaben und ungiftig ist“, sagt Makarov.

Mit elementarem Bismut hat das Team einen Kandidaten gefunden, der diese Eigenschaften aufweist. Bismut ist für seinen starken klassischen Hall-Effekt bekannt, der im massiven Material beobachtet wird. Die Forschenden haben nun entdeckt, dass an der Oberfläche des Elements jedoch Quanteneffekte dominieren, die den Stromfluss bestimmen – selbst bei Raumtemperatur. Ein großer Vorteil dieses Merkmals besteht darin, dass die dünnen Schichten mit Quanten­eigenschaften auf eine Vielzahl für elektronische Anwendungen geeignete Substrate wie Siliziumwafer und sogar Kunststoff aufgebracht werden können. Die Kontrolle des Quanten­effekts erreicht das Team durch eine ausgeklügelte Mikro­vfabrikation: Die Ströme lassen sich über die Geometrie der Kanäle auf dem Chip direkt beeinflussen.

Andere Teams hatten bereits eine Reihe von Materialien entwickelt, die den nichtlinearen Hall-Effekt aufweisen, aber nicht alle wünschens­werten Eigenschaften in sich vereinen. Graphen zum Beispiel ist umwelt­verträglich und sein nicht­linearer Hall-Effekt lässt sich gut kontrollieren, allerdings nur bei Temperaturen unter etwa minus siebzig Grad Celsius. Das heißt, wenn die Forschenden den Effekt nutzen wollen, müssen sie das Material mit flüssigem Stickstoff kühlen. Bei anderen Verbindungen müssten sie sogar noch niedrigere Temperaturen anwenden.

Derzeit konzentriert sich die Forschung auf die Suche nach geeigneten Materialien, doch das Team aus Rossendorf und Salerno denkt bereits weiter. „Techno­logisches Potential für unsere Dünnschicht­materialien sehen wir vor allem in der Umwandlung von elektro­magnetischen Terahertz-Wellen in Gleichstrom. Damit werden neue Komponenten für die Hochfrequenz-Kommunikation möglich“, sagt Ortix. Um deutlich höhere Datenübertragungsraten zu gewährleisten, müssen künftige drahtlose Kommunikations­systeme die Trägerfrequenz über einhundert Gigahertz hinaus in den Terahertz-Bereich erweitern, was mit heutigen Technologien nicht möglich ist.

HZDR / JOL