Variable Nanoelektronik mit Oxiden
Elektronische Schaltungen lassen sich mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops auf eine Oxidoberfläche schreiben
Elektronische Schaltungen lassen sich mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops auf eine Oxidoberfläche schreiben
In der Grenzfläche zwischen zwei Schichten aus unterschiedlichen Metalloxiden können ungewöhnliche Dinge geschehen. Treffen etwa die Isolatoren Strontiumtitanat (SrTiO3) und Lanthanaluminat (LaAlO3) aufeinander, so zeigt ihre Grenzfläche eine metallische Leitfähigkeit und wird bei hinreichend tiefer Temperatur sogar supraleitend. Das hatten Jochen Mannhart von der Universität Augsburg und seine Kollegen vor zwei Jahren entdeckt. Jetzt berichten die Forscher, dass man mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops metallische Nanodrähte, Tunnelkontakte und sogar Feldeffekttransistoren in die Grenzfläche schreiben und nach Belieben abändern oder auslöschen kann.
Abb.: Ein Oxid-Chip mit einem integrierten Diodenarray. Die Kantenlänge des Chips beträgt 5 mm. Die goldfarbigen Flächen sind Kontaktbänke. (Bild: A. Horsche, R. Jany, K. Wiedenmann )
Die Schreibtafel, auf der die variable Nanoelektronik skizziert wurde, bestand aus einem Strontiumtitanat-Substrat, das von einer dreilagigen Lanthanaluminat-Schicht bedeckt war. Die zunächst schlecht leitende Grenzfläche zwischen diesen beiden Isolatoren wurde an den Stellen metallisch leitend, über die die Forscher die positiv geladene Spitze eines Rastertunnelmikroskops führten. Auf diese Weise konnten „Nanodrähte“ in die Grenzfläche geschrieben werden, deren Breite stetig mit dem elektrischen Potential der Spitze zunahm. So ließen sich Drähte von 2 nm bis 12 nm Breite schreiben, die tagelang haltbar waren.
Führte man eine Mikroskopspitze mit negativem Potential in Querrichtung über einen zuvor geschriebenen Draht, so wurde der Draht unterbrochen. Auf diese Weise ließen sich Tunnelkontakte mit einer gewünschten Breite herstellen. Jetzt waren der Phantasie keine Grenzen mehr gesetzt. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Pittsburgh produzierten die Augsburger Forscher Tunnelkontakte mit vier Elektroden zur Messung von Strom-Spannungs-Kurven, Doppeltunnelkontakte und schließlich sogar Feldeffekttransistoren, die sie als Sketch-FET bezeichneten. Die elektronischen Eigenschaften dieser Bauteile ließen sich dank des flexiblen Schreibverfahrens in weiten Grenzen variieren.
Wie das Schreibverfahren funktioniert, dafür haben die Forscher folgende Erklärung. Im Gegensatz zum nichtpolaren Strontiumtitanat ist Lanthanaluminat stark polar. Ist die LaAlO3-Schicht mindestens vier Kristalllagen dick, so wird das elektrische Feld in der Schicht so stark, dass es zu einer Polarisationskatastrophe kommt und sich freie Elektronen in der Grenzfläche zur SrTiO3-Unterlage ansammeln. Für die benutzte Schreibtafel war die LaAlO3-Schicht jedoch nur etwa drei Kristalllagen dick, so dass ein äußerer Anstoß nötig war, um die Polarisationskatastrophe auszulösen. Wurde die positiv geladen Mikroskopspitze über die LaAlO3-Oberfläche geführt, so beseitigte sie dort vorhandene negative Sauerstofffehlstellen und lud die Oberfläche lokal positiv auf. Unmittelbar darunter sammelten sich in der Grenzfläche Elektronen, die die positiven Ladungen kompensierten. Diese frei beweglichen Elektronen bildeten dann einen Nanodraht.
Da die geschriebenen Tunnelkontakte empfindlich vom Ladungs- oder Oxidationszustand der LaAlO3-Oberfläche abhängen, könnten man aus ihnen chemische Sensoren herstellen, deren aktive Fläche kleiner als 5 nm2 sein kann. Zudem sind logische Schaltungen möglich, die nachträglich verändert werden können.
RAINER SCHARF
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichungen:
Cheng Cen et al.: Oxide Nanoelectronics on Demand. Science 323, 1026 (2009)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1168294 - Gruppe von Jochen Mannhart an der Uni Augsburg:
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/index/index_ d.shtml - Gruppe von Jeremy Levy an der University of Pittsburgh:
http://epsilon.phyast.pitt.edu/
Weitere Literatur:
- J. W. Reiner et al.: Atomically Engineered Oxide Interfaces. Science 323, 1018 (2009)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1169058 - C. Cen et al.: Nanoscale control of an interfacial metal–insulator transition at room temperature. Nat. Mater. 7, 298 (2008)
http://dx.doi.org/10.1038/nmat2136 - J. Mannhart et al.: Two-Dimensional Electron Gases at Oxide Interfaces. MRS Bulletin 33, 1027 (2008)
http://www.ims.tnw.utwente.nl/people/db/publ/MRSBULL33(2008) 1027.pdf (frei)
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