Tunnelkontakte als Speichermedium
Ferroelektrika verwandeln Tunnelkontakte in dauerhafte Datenspeicher.
Forscher haben unter Federführung der Universität Kiel einen neuen Weg entdeckt, extrem schnelle und energieeffiziente Datenspeicher zu entwickeln. Dazu nutzten sie quantenmechanische Tunnelkontakte. Beteiligt waren Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Universität Regensburg, des Ioffe-Instituts Sankt Petersburg und des koreanischen Instituts für Wissenschaft und Technologie.
Abb.: Rohit Soni (links) und Adrian Petraru erzeugen extrem dünne ferroelektrische Tunnelbarrieren mit Laserstrahlung (Bild: U. Kiel)
Tunnelkontakte sind aufgebaut wie elektronische Kondensatoren. Sie bestehen aus zwei Elektroden und einem Dielektrikum. Ein wesentlicher Unterschied zwischen herkömmlichen Kondensatoren und Tunnelkontakten ist, dass das Dielektrikum im Tunnelkontakt nur wenige Atomlagen – etwa ein Nanometer – dünn ist. Die Dicke eines Dielektrikums entspricht damit in etwa der Wellenlänge der Elektronen in den angrenzenden Metallelektroden. Legt man nun eine elektrische Spannung an ein solches Bauelement an, so können die Elektronen durch dieses Dielektrikum tunneln. „Elektronen können sich wie Teilchen oder Wellen verhalten. Das erlaubt es ihnen, die Barriere zu überwinden, wie eine Welle, die herüberschwappt“, erklärt Adrian Petraru aus der Kieler Arbeitsgruppe Nanoelektronik das Wirkungsprinzip.
Zu einem Speicher macht den Tunnelkontakt aber erst die Wahl der Barriere zwischen den Elektroden: „Aus purer Neugier wollten wir wissen, welchen Effekt ein ferroelektrisches Material auf so ein Bauteil hat“, sagt Hermann Kohlstedt, Leiter der Kieler Arbeitsgruppe. Solche Stoffe haben positive und negative Ladungen an ihren Grenzflächen, die durch eine elektrische Spannung umgepolt werden können. Fließt der Strom nicht mehr, bleibt der neue Ladungszustand trotzdem erhalten. Die unterschiedlichen Polarisationen bei verschieden hohen Spannungen bestimmen, wie viel Strom durch den Tunnelkontakt fließt.
Die Forschenden beobachteten, dass Gold und Kupfer als Elektroden besonders hohe Widerstandsverhältnisse erreichten. Die beiden Widerstände bilden das Digitalpaar „0“ und „1“ und somit ein elementares Speicherbit. „Da die Polarisation der Barriere zwischen den Elektroden gespeichert wird, selbst wenn keine Spannung angelegt wird, handelt es sich um einen nicht-flüchtigen Speicher, wie etwa eine Festplatte oder CD“, sagt Kohlstedt.
U. Kiel / DE
