Polare Metalle: Suche nach neuer Materialklasse

  • 20. April 2016

Neues Syntheseverfahren für hauchdünne Schichten aus speziellen Nickeloxid-Kristallen mit widersprüchlichen Eigenschaften.

Vor nunmehr einem halben Jahrhundert sagte der Nobel­preis­träger Philip Warren Anderson die Existenz von polaren Metallen voraus. Seitdem gelang es vereinzelt, diese neue völlig neuen Materialien, die eigentlich wider­sprüchliche Eigenschaften in sich vereinen, zu realisieren. Eine amerikanische Forscher­gruppe entwickelte nun eine neue Strategie, um polare Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften gezielter in hauch­dünnen Schichten herstellen zu können. Ihre ersten Versuche führten zu einem Material, das sich gleichzeitig wie ein Metall und ein Isolator verhielt.

Abb.: Polare Metalle: Im Computer simulierte Kristallstruktur der neuen Materialklasse, die widersprüchliche Eigenschaften vereint. (Bild: Rondinelli et al., NWU)

Abb.: Polare Metalle: Im Computer simulierte Kristallstruktur der neuen Materialklasse, die widersprüchliche Eigenschaften vereint. (Bild: Rondinelli et al., NWU)

James Rondinelli von der Northwestern University in Evanston setzte sich zusammen mit seinen Kollegen von der University of Wisconsin in Madison folgendes Ziel: Das neue polare Metall sollte sowohl elektrischen Strom sehr gut leiten können, als auch elektrisch polarisierbar sein wie ein Isolator. Die Wahl fiel auf eine Gruppe von Nickel­oxid-Kristallen. Diese Nickelate formten zusammen mit Seltenen-Erden-Elementen wie Neodym oder Lanthan spezielle Kristalle in Perowskit-Struktur, die – rein theoretisch – für die Vereinigung wider­sprüchlicher Eigenschaften geeignet sein sollten. Aufwändige Computer­simulationen zeigten, dass sich die Atome in diesen Nickelaten in zwei getrennten Schichten anordneten. Eine davon – vor allem aus Nickel und Sauerstoff bestehend – sollte für die metallische Leit­fähigkeit, die andere Schicht aus Neodym für den Aufbau von Dipol­momenten für eine elektrische Polarisierung über den gesamten Kristall hinweg verantwortlich sein.

Diese Idee setzten die Forscher in einem Experiment um, bei dem sie Neodymnickeloxid-Kristalle mit gepulsten Lasern (PLD-Verfahren) auf einer Unterlage abschieden. Bei einer Temperatur von 550 Grad Celsius entstanden wenige Nanometer dünne Schichten auf dem extrem glatten Substrat aus Lanthan­aluminium­oxid. Unter dem Mikroskop (AFM, STEM) zeigte sich, dass sich die Kristall­struktur des Nickel­oxid-Perowskits sehr stark an der atomaren Ordnung der glatten Lanthan­aluminium­oxid-Unterlage ausrichtete. Allein dadurch, so sind die Forscher überzeugt, konnten sich zwei Schichten mit unter­schiedlichen Eigenschaften ausbilden. So ergaben Hall-Messungen bei Raumtemperatur eine hohe Dichte von freien Ladungs­trägern (2 × 1020 cm-3), die eine metallische Leit­fähigkeit erlaubten. Partiell konnten sich aber auch Dipolmomente in der Kristall­schicht ausbilden, die eine elektrische Polarisier­barkeit vergleichbar mit einem Isolator ermöglichten.

Diese theoretische wie experimentelle Arbeit zeigt einen neuen Weg auf, um gezielt polare Metalle synthetisieren zu können. Über die geometrische Ausrichtung hauchdünner Kristall­schichten, initiiert durch eine geeignetes kristallines Subtrat, ließen sich die elektrischen Eigenschaften kontrollieren. Auf dieser Basis könnte man nun weitere polare Metalle entwickeln, die elektrische, magnetische und sogar optische Eigenschaften in sich vereinen könnten. Solche auch Multi­ferroika genannten Werkstoffe könnten viele Anwendungen nach sich ziehen. Bisher erwarten Wissenschaftler etwa neuartige Schalt­kreisen oder Daten­speicher, doch weitere Ideen werden mit steigender Verfüg­barkeit von polaren Metallen folgen.

Jan Oliver Löfken

DE

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