Topologische Isolatoren: Schichten statt Mischen
Gewünschte Leitungseigenschaften lassen sich genauer und zuverlässiger einstellen als bisher möglich.
Eine zu starke Erwärmung von Computerchips ist ein großes Hindernis für die Entwicklung schnellerer und leistungsfähigerer Rechner und Mobiltelefone. Abhilfe versprechen die erst vor wenigen Jahren entdeckten topologischen Isolatoren, die Strom mit geringerem Widerstand und weniger Wärmeentwicklung leiten als herkömmliche Materialien.
Abb.: Die Darstellung der Energieniveaus der Oberflächenelektronen im reziproken Raum zeigt den Bereich maximaler Energieeffizienz an. Er befindet sich dort, wo die Spitzen der Doppelkegel auf Höhe des Fermi-Niveaus (graues Band) liegen (mittlerer Doppelkegel), und gibt das höchste Energieniveau an, das ein Elektron im untersuchten Material ohne äußere Energiezufuhr besitzt. Durch Variationen der Schichtdicke lassen sich die Kegel verändern und mit ihnen die Bedingungen für den Spin-Transport (rot: Leitungsband, grün: Valenzband; Bild: FZ Jülich)
Topologische Isolatoren sind im Materialinneren praktisch Isolatoren, aber an ihren Oberflächen und Rändern leiten sie elektrischen Strom fast wie auf Schienen: schneller, mit geringerem Widerstand und weniger Wärmeentwicklung als herkömmliche Materialien. Zusätzlich fungieren die Schienen für Elektronen als Einbahnstraße. Der Eigendrehimpuls der Elektronen bestimmt, in welche Richtung die Elektronen fließen können. Auch diese Materialeigenschaft ist nützlich für die Informationsverarbeitung und könnte die Entwicklung neuer spintronischer Bauelemente ermöglichen.
Forscher des Jülicher Peter-Grünberg-Instituts und der RWTH Aachen zeigten nun, wie sich die Leitfähigkeit und der Energiebedarf dieser Materialien optimieren lassen. Ihr Erfolgsrezept lautet stark vereinfacht: schichten statt mischen. Detlev Grützmacher vom PGI hatte die entscheidende Idee: „Anstatt zwei Halbleiter unterschiedlichen Typs wie üblich zu legieren, um daraus einen topologischen Isolator zu gewinnen, haben wir mittels Molekularstrahlepitaxie beide Halbleiter Atomschicht für Atomschicht aufeinander geschichtet, dies wiederum auf einer Siliziumträgerschicht.“ Molekularstrahlepitaxie ist eine hochpräzise Methode, dünne kristalline Schichten herzustellen, und wird zunehmend nicht mehr nur in der Forschung sondern auch zur industriellen Produktion von Halbleiterstrukturen eingesetzt.
Auf diese Weise konnten die Forscher den atomaren Aufbau exakt kontrollieren, was sie mit ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie dokumentierten. „Die perfekte atomare Zusammensetzung topologischer Isolatoren ist ganz entscheidend für die elektronischen Eigenschaften und damit die Energieeffizienz, aber bei Legierungen nur schwer kontrollierbar“, erläutert Lukasz Plucinski vom PGI.
Welche Schichtdicken mit optimalen Leitungseigenschaften einhergehen, fanden die Forscher mit winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie heraus. Dabei werden Proben mit Photonen beschossen, die Elektronen aus dem Material herauslösen. Deren Energie und Austrittswinkel werden gemessen und geben Auskunft über die Energie und die Verteilung der Elektronen an der Oberfläche der Probe.
Abb.: Durch Variation der Schichtdicke von Halbleiter-Sandwiches aus Silizium (grau), dem n-Halbleiter Wismut-Tellurid (rot), und dem p-Halbleiter Antimon-Tellurid (grün), lassen sich topologische Isolatoren maßschneidern. Die Jülicher und Aachener Forscher prüften die Qualität ihrer mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugten Schichten sie mit ultrahochauflösender Rasterelektronenmikroskopie. Auf der linken Würfelkante sind die atomaren Lagen zu erkennen. (Bild: FZ Jülich)
Topologische Isolatoren können grundsätzlich auch mit Hilfe externer elektrischer Felder in Halbleiterlegierungen und anderen Materialien erzeugt werden. Bei der Sandwichmethode, die die Wissenschaftler im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance gemeinsam entwickelt haben, ist dieser technische Aufwand unnötig und das Trägermaterial Silizium vereinfacht eine spätere Integration in Anwendungen.
Im vom PGI koordinierten Virtuellen Institut für topologische Isolatoren erforschen Wissenschaftler darüber hinaus weitere Nutzungsmöglichkeiten des neuen Materials in der Grundlagenforschung. So könnte es zum Beispiel den Nachweis neuer bisher nur theoretisch vorhergesagter Quantenphänomene ermöglichen, etwa von Quasipartikeln aus Elektronen und Leitungslöchern, die ein topologisches Exziton-Kondensat bilden.
FZJ / OD
