Weniger ist mehr

Entfernt man gezielt einige Sauerstoffatome aus Metalloxiden, so verbessern sich die elektronischen Eigenschaften - vielleicht ein Chipmaterial der Zukunft?

Ithaka (USA) - Chiphersteller verschmutzen den Halbleiter Silizium bewusst mit kleinen Mengen anderer Elemente wie Arsen oder Indium. Über diese Dotierung kontrollieren sie die elektronischen Eigenschaften, und der Bau von Transistoren oder Dioden wird überhaupt erst möglich. Mit Metalloxiden statt Silizium erzielten amerikanische Forscher nun einen ähnlichen Effekt. Allerdings "klauten" sie den Kristallen gezielt einige Sauerstoffatome, wie sie in der Fachzeitschrift "Nature" beschreiben. Dadurch können sich Leitfähigkeit, Transparenz oder magnetischen Eigenschaften der Metalloxide wesentlich ändern. Mit dieser Methode hoffen sie, Materialien zu entwickeln, die in Zukunft Silizium als zentrales Element für elektronische Schaltkreise ersetzen könnten.

"Unsere Erkenntnisse eröffnen einen Weg, um individuelle Lücken in kristallinen Werkstoffe auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen", erklären David Muller und seine Kollegen von der Cornell University in Ithaka und den Bell Labs in Murray Hill. Mit einem Laserablations-Verfahren deponierten die Wissenschaftler hauchdünne Schichten des Metalloxids Strontiumtitanats (SrTiO ₃) auf eine hochreine Oberfläche. Über eine Verringerung der Sauerstoffzufuhr während des Kristallwachstums wiesen einzelne Lagen jedoch deutlich weniger Sauerstoffatome auf als benachbarte. Pro Einheitszelle fehlten den verarmten Kristallen zwischen einem und vier Sauerstoffatome.

Abb.: Diese Aufnahme mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop macht den abrupten Übergang zwischen einer SrTiO ₃-Schicht (rechts) und einer SrTiO _3-δ-Schicht (links) deutlich: Jeder helle orangefarbene Punkt ist eine Anhäufung von Sauerstoff-Fehlstellen im Kristall. (Quelle: Muller et al./Nature)

Diese "unterversorgten" Regionen zeigten sich unter einem Rastertransmissions-Elektronenmikroskop scharf abgegrenzt gegen die Strontiumtitanatlagen mit ausreichend Sauerstoff-Anteilen. Warum sich diese Regionen trotz der hohen Temperaturen (700 bis 800 °C) bei der Ablagerung stabilisierten, können die Forscher bislang nicht erklären. Doch genau an diesen Grenzen ändert sich abrupt die elektrische Leitfähigkeit des Materials, die mit Sauerstofflücken wegen des höheren Anteils freier Ladungsträger signifikant besser ist. Auch mit dem bloßen Auge lässt sich das an Sauerstoff verarmte Material deutlich von dem vollständigen Strontiumtitanat unterscheiden. Glitzert die eine Schicht durchsichtig wie ein Diamant, färbt sich die unterversorgte Schicht tiefblau und verliert seine Transparenz.

"Diese Arbeit erweitert wesentlich die Möglichkeiten, um die elektronischen Eigenschaften von Metalloxiden und womöglich von allen ionisch aufgebauten Materialien auf der Nanometerskala zu verändern", betont Jochen Mannhart, Physiker an der Universität Augsburg, die Bedeutung dieses grundlegenden Experiments. Da schon bald einzelne Metalloxide wie beispielsweise Hafniumoxid klassische Siliziumoxid-Schichten in Chips ersetzen können, glaubt der Experte an eine Zukunft der Sauerstoff-verarmten Metalloxide bei elektronischen Bauteilen. Gelingt es beispielsweise, abwechselnd Milliardstel Meter dünne Schichten von Metalloxiden mit unterschiedlichen Sauerstoffanteilen nebeneinander wachsen zu lassen, könnten sich daraus viel versprechende elektronische Module entwickeln. Zudem können schon heute in einigen Metalloxiden die elektrischen und magnetischen Dipole hin und her geschaltet werden, wodurch sich zahlreiche Anwendungen für zukünftige Schaltmodule mit winzigen Ausmaßen vorstellen lassen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  D. A. Muller et al., Atomic-scale imaging of nanoengineered oxygen vacancy profiles in SrTiO ₃, Nature 430, 657 (2004).  
• Cornell University: 
  http://www.cornell.edu  
• School of Applied and Engineering Physics: 
  http://www.aep.cornell.edu/eng10_page.cfm  
• Bell Labs: 
  http://www.bell-labs.com  
• Materialeigenschaften Strontiumtitanat (pdf):
  http://www.espimetals.com/msds's/strontiumtitanate.pdf  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Strontiumtitanat finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Materialwissenschaften.

Weitere Literatur:

• Muller, D. A. et al., The electronic structure at the atomic scale of ultra-thin gate oxides, Nature 399, 758 (1999).  
• Ahn, C. H., Triscone, J.-M. und Mannhart, J., Electric field effect in correlated oxide systems, Nature 424, 1015 (2004).  
• Tufte, O. N. & Chapman, P. W., Electron mobility in semiconducting strontium titanate, Phys. Rev. 155, 796 (1967).  
• Szot, K., Speier, W., Carius, R., Zastrow, U. und Beyer, W., Localized metallic conductivity and selfhealing during thermal reduction of SrTiO ₃, Phys. Rev. Lett. 88, 075508 (2002).  
• Szot, K. und Speier, W., Surfaces of reduced and oxidized SrTiO ₃ from atomic force microscopy. Phys. Rev. B 60, 5909