Oxid schaltet schneller als Halbleiter

  • 31. July 2013

Schaltprozess in Magnetit läuft in zwei Stufen und mehrere tausend Mal schneller ab, als in heute üblichen Transistoren.

Materialien, die sich so verändern können, dass sie sowohl leitend als auch isolierend wirken, gelten als geeignet für elektronische Bauteile der Zukunft. Das Eisenoxid Magnetit ist der bekannteste Vertreter dieser Materialklasse. Bei tiefen Temperaturen hat es isolierende Eigenschaften. Bei höheren Temperaturen wird es leitend. Dieser Umschaltvorgang verläuft jedoch so schnell, dass man ihn auf atomarer Ebene bislang nicht verstehen konnte.

Abb.: Ein optischer Laserblitz (rot) zerstört die elektronische Ordnung (blau) in Magnetit und schaltet den Zustand des Material innerhalb einer Pikosekunde von isolierend zu leitend um. (Bild: G. Stewart, SLAC)

Abb.: Ein optischer Laserblitz (rot) zerstört die elektronische Ordnung (blau) in Magnetit und schaltet den Zustand des Material innerhalb einer Pikosekunde von isolierend zu leitend um. (Bild: G. Stewart, SLAC)


Ein internationales Forscherteam hat es nun mit einem Experiment an der amerikanischen Quelle für ultrakurze Röntgenblitze LCLS am Nationallabor SLAC geschafft, den Schaltvorgang in einer Art kürzest möglicher Zeitlupe einzufrieren. So konnte es nachweisen, dass der Übergang in zwei Stufen verläuft. „In einem ersten Schritt entstehen in dem isolierenden Material leitende Inseln. Dann dauert es weniger als eine Pikosekunde, bis die Atome sich umorganisieren und ein komplettes Metallgitter entsteht“, erläutert Christian Schüßler-Langeheine vom Helmholtz-Zentrum Berlin.

Am Elektronenspeicherring BESSY II, den das HZB betreibt, hat die Gruppe um Schüßler-Langeheine die für das Experiment bei SLAC erforderlichen Vorarbeiten durchgeführt. Mit den so gewonnenen Informationen konzipierten sie das Experiment bei SLAC und führten es erfolgreich durch.

In dem Experiment in Kalifornien kühlten die Forscher Magnetit auf minus 190 Grad und beschossen die Probe dann mit Infrarot-Laserlicht beschossen. Die Energiezufuhr löste den Schaltprozess aus. Kurze Zeit später folgte ein Röntgen-Laserpuls, mit dem die Forscher den Schaltprozess wie mit einer Stroboskoplampe beobachteten. Solche zeitaufgelösten Messungen im Pikosekunden-Abstand sind nur an ganz wenigen Photonenquellen in der Welt möglich.

„Am HZB forschen wir an Materialien für eine schnellere und energieeffizientere Elektronik“, sagt Christian Schüßler-Langeheine. „In diesem Experiment haben wir gesehen, wie extrem schnell ein Schalter aus einem Oxid-Material wie Magnetit sein kann. Oxide sind somit eine spannende Alternative zu den heute gängigen Halbleitern. Insbesondere solche Materialien, die Metall-Isolator-Übergänge auch bei Raumtemperatur zeigen.“

HZB / PH

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