Neue Materialien für elektronische Bauteile

Metalloxide könnten in Zukunft vielleicht Halbleitermaterialien ersetzen

Lanthannickeloxid
Lanthannickeloxid

Stuttgart - Fast alle elektronischen Bauelemente wie zum Beispiel Speichermedien und Mikrochips werden heutzutage aus Halbleitermaterialien wie Silizium hergestellt. Der Trend zu immer kleineren Bauteilen lässt die Halbleitertechnologie aber an ihre Genzen stoßen. Kleinere Bauteile sind komplizierter herzustellen und aufgrund ihres elektrischen Widerstands erzeugen diese Materialien viel Wärme, wodurch sich die winzigen Strukturen verformen können. Ein internationales Wissenschaftlerteam um Alexander Boris vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung will nun eine Alternative zu Halbleitermaterialien bieten: Metalloxide. Ihre besonderen elektronischen und magnetischen Eigenschaften könnten zu einer neuen Generation von elektronischen Bauteilen führen, die die Siliziumtechnologie ersetzt.

In ihren Experimenten untersuchten die Wissenschaftler das Metalloxid Lanthannickeloxid LaNiO3. Dazu kühlten sie ihre Proben bis auf minus 273 Grad Celsius herunter und beobachteten die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Materials. Sie fanden heraus, dass die Eigenschaften einer dünnen Schicht des Materials sich komplett von denen eines massiven Stücks unterscheiden: War die Probe dicker als vier Materiallagen, so blieb sie bis zur tiefsten Temperatur elektrisch leitend. Dabei waren die magnetischen Momente der Elektronen ungeordnet. Betrachteten die Physiker allerdings extrem dünne zweilagige Schichten, so wurde das Metalloxid bei minus 100 Grad Celsius isolierend. Die Elektronen schienen nicht genug Platz zu haben um sich abzustoßen und blieben mehr oder weniger jeweils an einem Atom lokalisiert, so konnte kein Strom fließen. Bei minus 220 Grad Celsius ordneten sich zudem die magnetischen Momente der Probe antiparallel aus - das Material wurde antiferromagnetisch.

Den Wissenschaftlern gelang es somit, das Verhalten der Elektronen in Metalloxiden zu kontrollieren. Dadurch, dass sie die Dicke der Probe änderten, konnten sie entscheiden, ob das Material Strom leiten soll oder nicht. Das Umschalten zwischen leitendem und isolierendem Verhalten ist eine Eigenschaft, die besonders wichtig ist für die Entwicklung von elektronischen Komponenten. Weiterhin zeichnen sich Metalloxide dadurch aus, dass sie supraleitend werden können - ab einer gewissen Temperatur leiten sie elektrischen Strom ohne Widerstand. Als nächstes gilt es nun für die Forscher, diesen supraleitenden Zustand der Elektronen in Metalloxiden ebenfalls kontrollieren zu können.