Riesige Ladungsdichtestörungen in Nanomaterial

  • 26. November 2014

Verstärkung von Friedel-Oszillationen eröffnet neue Möglichkeiten für die Nanoelektronik.

In Metallen wie Kupfer oder Aluminium können sich Leitungselektronen frei bewegen. Baut man Fremdatome in das Kristallgitter ein, gruppieren sich die Elektronen in einem gleichmäßigen Muster um die Störstelle. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben mithilfe von Computersimulationen eine Materialkombination entdeckt, mit der sich diese Friedel-Oszillationen verstärken und wie mit einer Linse in verschiedene Richtungen bündeln lassen. Mit 50 Nanometern reichen die riesigen anisotropen Ladungsdichtestörungen um ein Vielfaches weiter als üblich und eröffnen neue Möglichkeiten für die Nanoelektronik, um magnetische Informationen auszutauschen oder zu filtern.

Schwankungen der Elektronendichte

Abb.: Schwankungen der Elektronendichte auf der Oberfläche eines Metallfilms lassen sich mit Hilfe der Tieftemperatur­Raster­Tunnel­Mikroskopie sichtbar machen. (Bild: FZ Jülich)

Auf rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen waren den Jülicher Forschern zuvor ungewöhnlich geformte Elektronenwellen aufgefallen. Die Bilder zeigten die Oberfläche von dünnen Eisenfilmen, die mit Sauerstoffatomen verunreinigt waren. Die Wellenmuster bildeten keine geschlossenen Ringe aus, sondern breiteten sich kreuzförmig von der Störstelle in vier Richtungen aus. Der Grund für die ungewöhnliche Ausbreitung der Dichteschwankungen der Elektronen sind die annähernd quadratisch geformten Fermiflächen des Materials. Auf den Fermi-Flächen bewegen sich die energiereichsten Elektronen eines Atomverbundes. Die Form der Fermi-Flächen und die Beweglichkeit der Elektronen bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Metalle. Oft sind die Fermiflächen ringförmig oder quadratisch-abgerundet.

Die nahezu ebenen Fermiflächen der Proben wirken wie ein Verstärker für die Friedel-Oszillationen, die sich senkrecht zu ihnen ausbreiten. Die Forscher fanden heraus, dass sich dieser Effekt noch wesentlich verstärken lässt, wenn man die Dicke der Metallschicht variiert. Je nach Zahl der Atomlagen entstehen dadurch Stapel aus mehreren Fermiflächen. Je mehr davon vorhanden sind, umso weiter reichen die Oszillationen. Das Team taufte diesen Effekt „Giant Anisotropic Charge Density Oscillations“.

Die Oszillationen ließen sich prinzipiell dazu benutzen, Informationen zwischen einzelnen magnetischen Fremdatomen auszutauschen und so die Integrationsdichte nanoelektronischer Bauelemente weiter zu erhöhen. Da die Oszillationen überwiegend von Spins einer Ausrichtung erzeugt werden, könnten sie auch die Grundlage für so genannte Spinfilter-Bauteile bilden, eine wichtige Komponente für Spintronik-Anwendungen.

FZJ / RK

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