Tolerant bei Verunreinigungen

  • 23. July 2012

Wismut hat exotische Eigenschaften, die es interessant machen für energieeffiziente elektronische Bauteile.

Gemeinsam mit Kollegen des Brookhaven National Laboratory stellten CENIDE-Forscher um Michael Horn-von Hoegen eine extrem glatte Wismutschicht her, mit überraschenden Eigenschaften: Egal wie dick sie ist, ihr elektrischer Widerstand bleibt immer gleich, da der Strom ausschließlich in einer dünnen Lage direkt an der Oberfläche fließt. Daher ist dies ein ideales System, um zu testen, wie sich Verunreinigungen auf der Oberfläche auf den Elektronentransport, also den Stromfluss, auswirken.

Kristallberg aus polykristallinem Bismut

Abb.: Kristallberg aus polykristallinem Bismut (Bild: UDE)

Um das herauszufinden, haben die Wissenschaftler weitere Wismutatome auf die zuvor so perfekt glatte Schicht aufgebracht. Dafür waren Temperaturen von rund  minus 190 Grad Celsius  notwendig und zusätzlich ein Vakuum, das noch weniger Moleküle enthält als das Weltall. Die Atome setzten sich auf der vormals glatten Oberfläche ab wie Sandkörner auf einer Fliese. Doch sie sind beweglich und liefen daher zu „Inseln“ zusammen, die aus vielen nebeneinanderliegenden Atomen bestanden.

Elektrische Messungen ergaben das zweite erstaunliche Ergebnis: Egal, ob ein Elektron bei seinem Weg auf ein einzelnes Atom oder eine ganze Insel trifft, es wird immer auf die gleiche Weise gestreut, das heißt von seiner Bahn abgelenkt. Das ist verwunderlich, denn unsere Intuition sagt uns, dass ein größeres Hindernis eigentlich häufiger getroffen werden und damit stärker streuen müsste. Axel Lorke, der die Inselbildung am Computer modelliert hat, erklärt das Phänomen so: „Wenn Sie auf der Autobahn fahren, ist es auch egal, ob auf einmal ein Stuhl oder ein liegengebliebener LKW auf der Fahrbahn steht – bremsen müssen Sie in beiden Fällen.“ Horn-von Hoegen ergänzt: „Das Überraschende ist jedoch, dass Sie um einen LKW eine weit größere Kurve fahren würden als um einen Stuhl, um im Beispiel zu bleiben. Das tut das Elektron hier eben nicht, es weicht immer gleich weit aus.“

Erste Erklärungen der beiden Experimentalphysiker basieren auf den Teilchen- und Welleneigenschaften der Elektronen. Genauso wie Meereswellen an einer Kaimauer reflektiert werden, treffen auch die Elektronenwellen auf die atomaren Inseln undstreuen dort. Und jedes gestreute Elektron vermindert den Stromfluss durch das Material. Horn-von Hoegen, Spezialist für Mikroskopie und Kristallwachstum, ist es gelungen, das Elektronen-Wellenmuster um kleine und große Inseln zu vermessen. Das erstaunliche Resultat: Sie sind nahezu unabhängig von der Inselgröße. Das erklärt, warum aus Sicht der Elektronen alle Hindernisse gleich aussehen.

Ein weiteres Ergebnis beweist, dass die Wechselwirkung zwischen Elektron und Insel extrem klein ist: Nur jedes hundertste Elektron wird überhaupt gestreut. Damit sind die Atominseln für Elektronen leichter zu passieren als eine Fensterscheibe für Licht, dort beträgt die Reflexion etwa vier Prozent. Dies ist bedeutend für elektronische Bauteile der Zukunft. Denn je weniger die Elektronen streuen, desto schneller lässt sich der Strom schalten und desto weniger elektrische Leistung wird benötigt.

UDE / OD

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