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Wien (tu) - Ein neues Material könnte die Tür zu einer neuen Art der Elektronik öffnen: Forschungsteams
der TU Wien konnten in Strontium-Titanoxid ein stabiles zweidimensionales Elektronengas herstellen.
Normalerweise erzeugt man Mikroelektronik-Bauteile aus Silizium oder ähnlichen Halbleitern. Seit einiger Zeit
wird allerdings intensiv an den elektronische Eigenschaften von Metalloxiden geforscht. Sie sind komplizierter,
aber genau dadurch hat man auch mehr Möglichkeiten, ihre Eigenschaften zu verändern und genau nach Wunsch
anzupassen. Ein wichtiger Durchbruch gelang nun an der TU Wien: In Strontium-Titanoxid konnte ein stabiles zweidimensionales
Elektronengas hergestellt werden. In einer Ebene knapp unterhalb der Oberfläche können sich die Elektronen
frei bewegen und dabei unterschiedliche Quantenzustände einnehmen.
Dadurch bietet sich das Material nicht nur als mögliche Alternative zu gewöhnlichen Halbleitern an, zusätzlich
sollen sich auch noch weitere exotische Effekte erzielen lassen, die in Standard-Halbleitermaterialien nicht vorkommen
– etwa Supraleitung, Thermoelektrizität oder Magnetismus.
Die äußerste Atomschicht und das Innere
Theoretische Berechnungen und experimentelle Arbeiten gingen bei diesem Forschungsprojekt Hand in Hand: Zhiming
Wang aus dem Team von Prof. Ulrike Diebold (Institut für Angewandte Physik, TU Wien) führen die experimentellen
Messungen durch, zum Teil auch am Synchrotron des BESSY in Berlin. Zhicheng Zhong aus der Forschungsgruppe von
Prof. Karsten Held (Institut für Festkörperphysik, TU Wien) untersuchten das Material in Computersimulationen.
Die Atome von Strontium-Titanoxid sind nicht überall genau gleich angeordnet: Wenn man einen Kristall dieses
Materials in der richtigen Richtung schneidet, dann ordnen sich die Atome an der Oberfläche anders an als
die Atome im Inneren des Materials. „Während im Inneren jedes Titanatom sechs Sauerstoffatome als Nachbarn
hat, ist an der Oberfläche jedes Titanatom nur mit vier Sauerstoffatomen verbunden“, erklärt Ulrike Diebold.
Genau dadurch bleibt die Oberfläche stabil und wird nicht, wie andere vergleichbare Materialien, durch den
Kontakt mit Wasser oder Sauerstoff zerstört.
Wandernder Sauerstoff
Erstaunliches geschieht, wenn man das Material mit kurzwelligem, energiereicher Strahlung beleuchtet: „Durch die
Strahlung können Sauerstoffatome aus der Oberfläche herausgelöst werden“, erklärt Ulrike Diebold.
Wenn das geschieht, kommen allerdings Sauerstoffatome aus dem Inneren des Materials nach und wandern an die Oberfläche.
Dadurch entsteht dann im Inneren, ganz knapp unter der Oberfläche, ein Mangel an Sauerstoffatomen und ein
Überschuss an Elektronen.
„Diese Elektronen, innerhalb einer zweidimensionalen Schicht, knapp unterhalb der Oberfläche, können
sich recht frei bewegen – man spricht in diesem Fall von einem Elektronengas“, erklärt Karsten Held. Hinweise
für das Entstehen eines zweidimensionalen Elektronengases in ähnlichen Materialien gab es bereits – doch
die Herstellung eines stabilen, haltbaren Elektronengases war bisher noch nie gelungen.
Bemerkenswert ist auch, dass sich die Eigenschaften diese Elektronen sehr fein einstellen lassen: Je nachdem wie
intensiv man das Material bestrahlt, lässt sich die Anzahl der Elektronen variieren. Auch durch den Einbau
anderer Atomsorten kann man die elektronischen Eigenschaften anpassen. „Wichtig in der Festkörperphysik ist
die sogenannte Bandstruktur des Materials – der Zusammenhang zwischen der Energie und dem Impuls der Elektronen.
Das erstaunliche an der untersuchten Oberfläche ist, dass sich hier die Bandstruktur von Quantenniveau zu
Quantenniveau vollkommen ändert.“, erklärt Karsten Held.
Im Elektronengas des neuen Materials lässt sich eine Vielfalt verschiedener elektronischer Strukturen finden,
darunter auch solche, die ganz spezielle magnetische Effekte oder Supraleitung möglich erscheinen lassen.
Diese vielversprechenden Eigenschaften von Strontium-Titanoxid sollen nun in weiteren Forschungsarbeiten untersucht
werden. Durch äußere elektrische Felder oder das Aufbringen zusätzlicher Metallatome an der Oberfläche
könnte das neue Material, so hofft man an der TU Wien, noch weitere Geheimnisse preisgeben.
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