Wie zwei Isolatoren gemeinsam Strom leiten können

Wie kann es sein, dass zwei Materialien, die keinen Strom leiten, eine elektrisch leitende Schicht bilden, wenn man sie miteinander verbindet? Seit Entdeckung dieses Effekts 2004 haben Forschende verschiedene Ansätze entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Nun hat ein internationales Team die Kontroverse wohl entschieden: Es ist die Kombination der Eigenschaften der beiden Materialien ist, die den Effekt erzeugt und nicht deren Vermischung der Materialien an der Grenzfläche. Die untersuchten Materialien sind Perowskite – Angehörige einer großen Klasse von Materialien mit interessanten elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die eine wesentliche Rolle für zukünftige elektronische Geräte spielen dürften.

Im Jahr 2004 entdeckten Forscher etwas Erstaunliches: verbindet man die beiden Substanzen SrTiO3 und LaAlO3, die beide selbst keinen Strom leiten, bildet sich an der Grenzfläche eine dünner elektrisch leitender Bereich. Gleich entstanden mehrere Ansätze, die den Effekt erklären sollten, und zu andauernden Kontroversen führten. „Es gibt Konferenzen, auf denen sich die Mehrheit aller Beiträge mit diesem Effekt beschäftigen“ erzählt Mathilde Reinle-Schmitt vom Paul-Scherrer-Insitut PSI. Bis heute überlebt haben im Wesentlichen zwei Erklärungsansätze. Um Klarheit in die kontroversen Ansätze zu bringen haben Forscher des PSI mit Kollegen der Uni Genf entsprechende Experimente durchgeführt. Wichtige theoretische Einsichten zu diesen Experimenten haben Forscher der Université de Liège beigetragen.

Die beiden untersuchten Substanzen sind Perowskite, komplex aufgebaute Oxide mit einer typischen Ebenenstruktur. In SrTiO₃ wechseln sich Ebenen aus Strontiumoxid (SrO) mit solchen aus Titandioxid (TiO₂) ab; in LaAlO₃ sind es Ebenen von Lanthanoxid (LaO) und Aluminiumdioxid (AlO₂). Dabei unterscheiden sich die beiden Substanzen in einem Punkt: in SrTiO₃ sind beide Ebenen elektrisch neutral, in LaAlO₃ sind sie abwechselnd positiv und negativ geladen. Die Kombination zweier solcher Materialien führt nach Ansicht einer Gruppe von Forschern zur Entstehung hochbeweglicher Elektronen an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien – Elektronen, die den elektrischen Strom transportieren und so das Material leitend machen. Aber erst wenn die LaAlO₃-Schicht ausreichend dick ist. Sonst ist die Materialkombination ein Isolator. Dieser Ansatz ist als polare Katastrophe bekannt. Andere Forscher sind hingegen davon überzeugt, dass die Leitfähigkeit entsteht, weil bekanntermassen sich die beiden Substanzen an der Grenzfläche vermischen und das der Ursprung einer neuen, leitenden Substanz ist.

Um die Kontroverse zu klären, haben die Forscher mit SrTiO₃ als Unterlage angefangen und darauf Gemische von SrTiO3 und LaAlO3 in verschiedenen Mischverhältnissen und Schichtdicken aufgebracht und die Leitfähigkeit gemessen. Das Ergebnis war überraschend: für dünne Schichten des aufgetragenen Gemisches war das System ein Isolator, für dickere Schichten wurde die Grenzfläche leitend. Und zwar muss die Schicht umso dicker sein, je weniger LaAlO₃ in dem Gemisch enthalten ist. „Diese Ergebnisse entsprechen perfekt den Voraussagen der polaren Katastrophe“, so Claudia Cancellieri, „es wäre sehr schwierig, diese Ergebnisse mit Hilfe der Vermischung zu erklären.“

Perowskite, zu denen die untersuchten Substanzen gehören, haben oft interessante elektrische und magnetische Eigenschaften, die zum Teil noch nie in anderen Materialien beobachtet worden sind. Eine weitere wichtige Besonderheit nennt Philip Willmott, Leiter der Arbeitsgruppe am PSI: „Im Gegensatz zu den heute genutzten Halbleitern, haben verschiedene Perowskite eine ähnliche Struktur und lassen sich so leicht zusammenfügen, so dass man leicht verschiedene Eigenschaften in einem Baustein kombinieren könnte – Supraleiter mit Materialien, die sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren oder solchen, mit denen man Substanzen in der Luft nachweisen kann.“ Materialien, in denen der Strom nicht in alle drei Raumrichtungen fließen kann, sondern in nur einer oder wie hier zwei sind auch ein aktuelles Forschungsthema, das zahlreiche Anwendungen verspricht.

PSI / OD