Materialwissenschaft 21.08.2020, 15:33 Uhr

Neues Material für stromsparende Transistoren

Die Ablösung des Halbleiters Silizium könnte laut Meterialforschern der Universität Genf näherrücken.
Regelmässig angeordnete Schichten aus Nickelaten
(Quelle: unige.ch)
Bei der Suche nach einem Halbleitermaterial, aus dem sich elektronische Bauteile mit geringem Stromverbrauch herstellen lassen, ist ein internationales Forscher-Team um Jean-Marc Triscone vom Institut für Quanten der Universität Genf, auf ein bisher unbekanntes physikalisches Phänomen in einem künstlichen Material gestossen, das aus sehr dünnen Schichten aus Nickelaten besteht.

Dotiertes Nickeloxid

Konkret geht es um Nickeloxid, das mit Seltenen-Erden-Atomen dotiert ist. «Nickelate haben eine ganz besondere Eigenschaft: Sie wechseln plötzlich von einem Isolator zu einem elektrischen Leiter, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet», sagt Triscone. Wenn es sich bei dieser Seltenen Erde beispielsweise um Samarium (Sm) handelt, liegt die Sprungtemperatur bei etwa 130 Grad Celsius, während sie bei Neodym (Nd) auf minus 73 Grad Celsius abfällt.
Dieser Unterschied erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Ersetzen von Sm durch Nd die Kristallstruktur der Verbindung verformt wird - und diese Verformung steuert den Wert der Übergangstemperatur. Um mehr über diese Materialien zu erfahren, untersuchten die Wissenschaftler Proben, die abwechseln aus Samarium- und Neodym-Nickelat-Schichten bestehen, eine Art «Super-Sandwich», in dem alle Atome perfekt angeordnet sind.
Dieses Phänomen tritt nur auf, wenn die einzelnen Schichten sehr dünn sind. Bei übereinander gestapelten, dicken Schichten beeinflussen sie sich nicht in ihrer angestammten Übergangstemperatur. «Das passierte erst, als wir sie immer weiter verfeinerten», so Claribel Domínguez, die am gleichen Lehrstuhl forscht. Die optimale Dicke lag bei acht Atomdurchmessern pro Schicht, wie sich herausstellte.

Leitfähigkeit temperaturabhängig

Der Verbundwerkstoff aus Nickelaten bietet eine neue Möglichkeit zur Steuerung der Eigenschaften künstlicher elektronischer Strukturen. In dem Fall handelt es sich um den Leitfähigkeitssprung, der bei einer Temperatur stattfindet, die sich zwischen 130 und minus 73 Grad einstellen lässt. Dies ist ein wichtiger Schritt vorwärts für die Entwicklung neuer elektronischer Geräte. Nickelates könnten in Anwendungen wie piezoelektrischen Transistoren verwendet werden, die auf Druck reagieren. Sie gelten als stromsparende Alternative zu den klassischen Silizium-Transistoren.

Autor(in) Wolfgang Kempkens, pte


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