Elektronen im Rampenlicht

In Teilchenbeschleunigern erzeugte Synchrotronstrahlung "beleuchtet" die elektronischen Strukturen der Materie, die sich über verschiedenste Messverfahren offenbahren.

Warum ist Kohle schwarz und Diamant hart? Wodurch wird Eisen magnetisch? Wieso leitet Kupfer Strom und warum glänzt Gold? Fragen über Fragen, für die es ganz offenbar eine gemeinsame Antwort gibt: "Es sind die elektronischen Strukturen eines Festkörpers, die beinahe jedes seiner Merkmale bestimmen", sagt Wolfgang Eberhardt, Leiter des Instituts für Elektronische Eigenschaften (IEE) des Forschungszentrums Jülich - ein Teilinstitut des Instituts für Festkörperforschung. Nur: Wie sehen diese elektronischen Strukturen aus? Und: Welche Zusammenhänge bestehen zwischen der Elektronenverteilung, der Geometrie und der Beschaffenheit eines Materials? Das herauszufinden gehört zu den Aufgaben der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter - Physiker, Chemiker, Ingenieure, Techniker und Laboranten - im IEE.

Grundsätzliche Fragen im richtigen Licht

Wer in die Feinstrukturen der Materie blicken will, darf keine Mühen und Wege scheuen. Dies gilt vor allem dann, wenn das Versuchsvorhaben eine Synchrotronstrahlungsquelle benötigt und damit für die Wissenschaftler Reisen - manchmal um die halbe Welt - notwendig macht. Eberhardt: "Um die elektronischen Wechselwirkungen in Festkörpern zu untersuchen, benötigen wir Photonen in Energiebereichen zwischen 10 und 100 Elektronenvolt, das heißt kurzwelliges, energiereiches, ultraviolettes (UV-) Licht. Neben der Wellenlänge und Photonen-Energie spielen für uns zwei weitere Faktoren eine entscheidende Rolle: die Intensität der Strahlung und die Kohärenz der Lichtteilchen, das heißt der Gleichtakt ihrer Schwingung." Ginge es um Experimente mit sichtbarem Licht, kämen die Forscher meist noch mit leistungsstarken Lasern zurecht.

Im UV-Bereich jedoch ist der Aufwand ungleich größer: Nur Synchrotronstrahlungsquellen und ihre Speicherringe können bislang die benötigte Lichtqualität liefern. Die von Jülicher Wissenschaftlern derzeit genutzten Anlagen stehen in Berkeley und Brookhaven (USA), Triest (Italien), Grenoble (Frankreich), Hamburg, Dortmund und Berlin. "An den Speicherringen BESSY in Berlin und DELTA in Dortmund, sind wir sogar mit eigenen Versuchs- und Spektroskopie-Einrichtungen vertreten", betont der Instituts-Chef.

"Die meisten Messungen am Synchrotron beruhen auf dem von Einstein entdeckten Photoeffekt", geht Eberhardt auf die methodischen Grundlagen ein (siehe Kasten). "Die Daten geben Aufschluß über die Verteilung der Elektronen und ihre Wechselwirkung im Festkörper. Die Analyse hilft uns zum Beispiel zu verstehen, warum ein Material ein elektrischer Leiter, das andere ein Halbleiter oder Isolator ist, worauf der Magnetismus eines Werkstoffs beruht oder wie seine Farbe zustande kommt." Dabei sind die Fragestellungen weitaus mehr als reiner Selbstzweck: "Durch genaue Steuerung und Kontrolle der atomaren Zusammensetzung eines Materials ist es möglich, Werkstoffe mit völlig neuen Eigenschaften herzustellen. Wir sprechen vom 'Atomic Engineering of Materials'". Von Anfang an sei deshalb bei jedem Versuch die Frage nach möglichen Praxisbezügen mit im Spiel.

Wechselwirkung von Magneten in dünnen Schichten

Besonders große Aufmerksamkeit wird in Eberhardts Forscherteam metallischen Schichtsystemen geschenkt, die für die magnetische Sensorik und Informationstechnik Bedeutung haben. Erst kürzlich gelang es den Jülichern, ein Phänomen näher zu erklären, das seit einiger Zeit schon für mehr Speicherkapazität auf beinahe jeder neuen Festplatte sorgt.

Schichten aus magnetischen Materialien, wie Eisen oder Kobalt, können in direktem Kontakt und über kurze Entfernungen hinweg miteinander in Wechselwirkung treten. Jede Schicht ist, vereinfacht betrachtet, aus unzähligen winzigen Magneten - Elementarmagneten - aufgebaut. Jeder von ihnen kann einzeln seine Orientierung ändern. Die Ausrichtung der magnetischen Momente in einer Metall-Lage beeinflußt die Anordnung der Elementarmagnete in der anderen. Werden zwei Kobaltschichten durch eine dünne, nur wenige Atomlagen breite Zone aus nichtmagnetischem Kupfer getrennt, gibt es einen merkwürdigen Effekt: Je nachdem, wie dick die Kupferschicht ist, beziehen die magnetischen Momente beider Kobaltschichten zueinander Position - parallel oder antiparallel. Nimmt die Kupferdicke kontinuierlich zu oder ab, springt die Ausrichtung der Momente zwischen beiden Orientierungen hin und her. Physiker sprechen hier von "oszillierender magnetischer Kopplung". Im Kobalt-Kupfer-Kobalt-System tritt dieser Wechsel nach jedem Wachstum der Kupferzone um sechs Ångström auf (0,6 Nanometer).

GMR-Effekt für bessere Festplatten

Portrait Peter Grünberg
Peter Grünberg

Der Jülicher Festkörperforscher Peter Grünberg entdeckte das Phänomen Mitte der 80er Jahre. Er erhielt dafür 2007 den Nobelpreis für Physik gemeinsam mit seinem Kollegen Albert Fert von der Universität Paris-Süd.

Erste praktische Anwendungen zeigten sich bald nach der Entdeckung: Die Ausrichtung der magnetischen Momente hängt nämlich nicht nur von der Dicke der Trennschicht ab, sondern auch von der Existenz und Stärke äußerer Magnetfelder. Das heißt, magnetische Felder im Umkreis der Schichtenfolge können die Stellung der Elementarmagnete aktiv verändern. Damit verraten sie ihre Anwesenheit. Jede Umorientierung der magnetischen Momente etwa von parallel zu antiparallel ist nämlich mit einem meßbaren Anstieg des elektrischen Widerstands im Schichtsystem verbunden. Die Änderung ist dabei so groß, daß die Wissenschaftler dem Phänomen den Namen "Giant Magnetoresistance (GMR)-Effect" - Riesenmagnetowiderstand - gaben.

"Stapelsysteme aus Kobalt-Kupfer- oder Eisen-Chrom-Schichten können aufgrund des GMR-Effekts als hochempfindliche Magnetfeldsensoren dienen", erläutert Grünberg. "Da wir mittlerweile über die Technik verfügen, einzelne Schichten Atomlage für Atomlage wachsen zu lassen, eignen sich die Systeme besonders gut zur Konstruktion extrem kleiner Sensoren." Längst hat der GMR-Effekt in verbesserten Leseköpfen für Festplatten, Disketten oder Videobändern sowie für Sensoren in Autos weltweite Verbreitung gefunden.

Magnetisch oder nicht? Energie entscheidet

Vor einem Fehlschluß allerdings versucht Eberhardt zu warnen: "Wenn man einen Effekt technisch nutzt, muß man ihn noch nicht verstanden haben." Der Riesenmagnetowiderstand sei dafür ein schönes Beispiel: Der Zusammenhang zwischen der Variation der Zwischenschichtdicke und der oszillierenden Kopplung der Magnetschichten sei auf Anhieb nicht durchschaubar. Erst vor kurzem gelang es den Jülicher Forschern, Klarheit in die magnetischen Ordnungsphänomene von GMR-Schichtsystemen zu bringen. Geholfen haben dabei vor allem die spektroskopischen Untersuchungen verschiedener Modellsysteme mit Synchrotronstrahlung. "Uns hat besonders die Funktion des Kupfers interessiert", erinnert sich IEE-Mitarbeiter Dr. Carlo Carbone. Schließlich sei Kupfer - wie Gold und Silber - zunächst ein nichtmagnetisches Metall.

Die Wissenschaftler fanden heraus, daß sich dieses dennoch wie ein schwacher Magnet verhält, wenn es Kontakt zu einer der magnetischen Schichten hat. Kommt das Kupfer mit der zweiten Schicht in Berührung, wirkt es zwischen den beiden magnetischen Metallen als Informationsvermittler. Wie sich das Kupfer selbst dabei verhält, ist letztlich eine Frage der Energie. Ob sich die Elementarmagnete des Kupfers geordnet ausrichten - wie in einem Magneten - oder ob sie ungeordnet bleiben - wie in einem Nicht-Magneten - hängt davon ab, was der energetisch günstigere Zustand ist. Und der wiederum steht mit der Dicke der Kupferschicht in engem Zusammenhang. "Magnetismus ist ein 'Quantenphänomen', das durch die Struktur, Zusammensetzung und Abmessungen des Systems beeinflußt wird", ergänzt Eberhardt. Wie der Riesenmagnetowiderstand zeige, helfe die Kenntnis der elektronischen Struktur, das Verhalten magnetischer Materialien und Schichtsysteme zu verstehen und diese Effekte noch gezielter zu nutzen.

Von Fußbällen und anderen Clustern

Modelldarstellung eines Clusters, kugelförmige Struktur, die aus kleinen, grünen Kügelchen zusammengesetzt ist..
Cluster

Daß es ohne genaues Verständnis der Zusammenhänge zwischen elektronischer Struktur und Materialeigenschaften in der Werkstoffentwicklung kaum mehr geht, beweist ein zweites Arbeitsgebiet im Jülicher IEE: die Cluster-Forschung.

Als Cluster bezeichnet man in der Physik und Chemie eine Zusammenlagerung von Atomen eines Elements in jeweils charakteristischer Zahl. Dem Forscher bieten Cluster eine hervorragende Gelegenheit, den Aufbau von Festkörpern schrittweise - Atom für Atom - zu verfolgen. Interessant ist hier, daß die entstandenen Gebilde oft Merkmale zeigen, die auf Anhieb weder durch die Eigenschaften der Atome noch durch die des Festkörpers zu erklären sind. Ein eindrucksvolles Beispiel ist das Fulleren C60, ein "Fußball" aus 60 Kohlenstoffatomen. Neben Graphit und Diamant stellen die Fullerene eine dritte Erscheinungsart des reinen Kohlenstoffs dar. Sie unterscheiden sich von den beiden bekannteren Kohlenstoff-Modifikationen nicht nur in der mechanischen Beschaffenheit, sondern auch durch ihre Halbleitereigenschaften.

Die Jülicher Materialforscher sehen in den Clustern daher eine äußerst attraktive Bausteingruppe zur Konstruktion neuartiger Werkstoffe. "Anwendungsgebiete der neuen Materialklassen könnten sowohl die Katalyse als auch die Nanoelektronik sein", blickt Eberhardt in die Zukunft. In puncto Katalyse sei bekannt, daß kleine Ansammlungen von Metallatomen eine besondere chemische Reaktivität und hohe Produktselektivität besitzen. Des weiteren könnten sie mit ihren elektronischen Eigenschaften auch als "Nanokontakte" auf Halbleiterelementen Bedeutung erhalten. "Wir stellen uns vor, daß die fixierten Cluster genau dann ihren Schaltzustand ändern, wenn sich ein zusätzliches Elektron in ihnen befindet."

Eine konkrete Anwendung ist bereits für das Fulleren C60 in Sicht: Eingestreut in photoleitende Polymersysteme, sind die Kohlenstoff-Cluster in der Lage, die Stärke des Ladungsflusses um Größenordnungen zu erhöhen. Die verbesserten lichtleitenden Materialien könnten zum Beispiel in Fotokopierern und Laserdruckern eingesetzt werden. "C60-dotierte organische Lichtleiter sind einfach und preiswert herzustellen und völlig umweltverträglich", wirbt der Physiker bereits für die neuen Werkstoffe.

Bessere Methoden, zügige Forschung

Um die Clusterforschung zügig voranzutreiben, hat die Arbeit der Jülicher Wissenschaftler mehrere Schwerpunkte. Eine intensive Cluster-Ionenquelle dient dazu, Cluster in ausreichend großen Mengen auf Oberflächen zu deponieren. Nur so können die hauptsächlich in der Gasphase gefundenen Cluster-Eigenschaften in praktische Anwendungen umgesetzt werden. Die Cluster-Ionen werden mit einer Laserverdampfungsquelle oder durch elektrische Bogenentladung erzeugt, dann in einem Magnetfeld der Größe nach ausgewählt und schließlich auf einer gereinigten Oberfläche "sanft" zur Landung gebracht.

In zwei Stufen untersuchen die IEE-Forscher die geometrische und elektronische Struktur von Clustern: Mittels eines Flugzeit-Massenspektrometers wird zunächst die Größenverteilung der Cluster-Ionen analysiert. Nach der Massentrennung werden Ionen einer bestimmten Größe mit einem UV-Laser bestrahlt. Ein Flugzeit-Elektronenspektrometer mißt die Bewegungsenergie der vom Licht aus den Clustern herausgelösten Elektronen. Die Meßdaten aus Massen- und Elektronenspektroskopie enthalten Informationen über die Geometrie und elektronische Struktur der Cluster. "Sobald es mit neuen Clusterquellen gelingt, einheitliche Cluster in größerer Zahl zu erzeugen, werden wir diese auch mit Hilfe der Synchrotronstrahlung untersuchen", kündigt Eberhardt an.

Spektrometer "made in Jülich"

Nicht nur in der Clusterforschung gehört die Entwicklung neuer Instrumente und Methoden zu beinahe jedem IEE-Projekt. Egal ob Strahlrohr, Clusterquelle oder Detektor - an alles traut man sich in Jülich heran. "Die Infrastruktur des Forschungszentrums mit der Zentralabteilung Technologie, dem Zentrallabor für Elektronik und anderen Einrichtungen macht es möglich, fast jede unserer Ideen zu realisieren", unterstreicht der IEE-Chef. Die Masse der Neu- und Weiterentwicklungen betreffe jedoch das Instrumentarium für Meßplätze am Synchrotron.

Aktuelles Beispiel ist hier ein sogenantes Undulator-Strahlrohr für Photonen mit Energien zwischen 10 und 300 Elektronenvolt. Ein solches Rohr wurde Ende 1998 am Dortmunder Beschleunigerring DELTA montiert. Eberhardt: "Das Gerät erschließt viele neue Möglichkeiten, um Festkörper, Atome und Moleküle mit Hilfe der Synchrotronstrahlung zu untersuchen." An drei Orten - der Dortmunder Strahlenquelle DELTA, dem BW3-Strahlrohr am Hamburger HASYLAB und der NSLS Brookhaven (USA) - wurde bereits ein sogenanntes Rowland-Spektrometer aus Jülich eingesetzt. Die Ingenieure und Wissenschafter am IEE haben das Instrument für die Spektroskopie der "weichen" Röntgenstrahlung entwickelt, wie sie von Festkörpern nach "Beschuß" mit Synchtrotronlicht abgestrahlt wird. Bei den bisherigen Untersuchungen mit dem neuen Spektrometer gaben vor allem vergrabene Schichtsysteme und Halbleiterelemente die Geheimnisse ihrer elektronischen Strukturen preis. Weitere Einblicke in das Wechselspiel der Elektronen werden folgen.

Der Photoeffekt

Grundlage aller spektroskopischen Messungen, für die die Forscher des Jülicher Instituts für Elektronische Eigenschaften eine Synchrotronstrahlungsquelle brauchen, ist der um 1900 von Albert Einstein beschriebene Photoeffekt.

Wird eine Materialprobe mit sichtbarem, ultraviolettem oder infrarotem Licht bestrahlt, können die Lichtteilchen - die sogenannten Photonen - Elektronen aus der Probenoberfläche schlagen; vorausgesetzt, die Energie der Photonen ist groß genug, die negativen Ladungsträger von den Atomen zu trennen. Die losgelösten Elektronen verlassen die Probe. Geschwindigkeit und Bewegungsenergie hängen dabei von der Wellenlänge der Lichtteilchen ab. Ihre Zahl wird durch die Lichtstärke bestimmt. Richtung und Energie der Elektronen lassen sich mit Spektrometern messen. Mit Hilfe des Energie- und Impulserhaltungssatzes können die Forscher aus den gewonnenen Daten die Ausgangssituation errechnen und Rückschlüsse auf die elektronischen Verhältnisse in der Probe ziehen.