Forschung -

Isolatorähnliches Material kann auch Strom leiten

Forscher der University of Wisconsin-Madison haben ein Material entwickelt, das von einem Strom leitenden Metall zu einem nicht leitenden Isoliermaterial übergehen kann, ohne seine Atomstruktur zu verändern.

"Das ist eine ziemlich aufregende Entdeckung", sagte Chang-Beom Eom, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. "Wir haben eine neue Methode des elektronischen Schaltens gefunden."

Das neue Material könnte die Grundlage für ultraschnelle elektronische Geräte wie die Handys und Computer der Zukunft bilden. Eom und sein internationales Mitarbeiterteam veröffentlichten in "Science" ("Isostructural metal-insulator transition in VO2") Details über ihren Fortschritt.

Metalle, wie Kupfer oder Silber, leiten Strom, während Isolatoren, wie Gummi oder Glas, den Strom nicht fließen lassen. Einige Materialien können jedoch von isolierend zu leitend und wieder zurück übergehen.

Dieser Übergang bedeutet in der Regel, dass sich die Anordnung der Atome eines Materials und seiner leitenden Elektronen koordiniert ändern muss, aber der atomare Übergang verläuft typischerweise viel langsamer als die der kleineren, leichteren Elektronen, die Strom leiten.

Ein Material, das wie ein Metall auf die Leitung von Elektrizität umschalten kann, ohne seine Atome zu bewegen, könnte die Schaltgeschwindigkeiten fortschrittlicher Geräte drastisch erhöhen, sagte Eom.

"Der Übergang von Metall zu Isolator ist sehr wichtig für Schalter und für Logikbausteine mit einem Eins- oder Nullzustand", sagt er. "Wir haben das Potenzial, dieses Konzept zu nutzen, um sehr schnelle Schalter herzustellen."

Eom und seine Mitarbeiter beantworteten in ihrer Forschung eine grundlegende Frage, die die Wissenschaftler seit Jahren beschäftigt: Können der elektronische und strukturelle Übergang entkoppelt werden - im Wesentlichen, können die schnell wechselnden Elektronen von selbst ausbrechen und die Atome zurücklassen?

Sie verwendeten ein Material namens Vanadiumdioxid, das bei Erhitzung ein Metall ist, und ein Isolator wird, wenn es sich bei Raumtemperatur befindet.

Bei hohen Temperaturen sind die Atome, aus denen Vanadiumdioxid besteht, in einem sich regelmäßig wiederholenden Muster angeordnet, das von Wissenschaftlern als Rutilphase bezeichnet wird.

Wenn Vanadiumdioxid abkühlt, um ein Isolator zu werden, nehmen seine Atome ein anderes Muster an, das als monoklin bezeichnet wird.

Keine natürlich vorkommenden Substanzen leiten Strom, wenn sich ihre Atome in der monoklinischen Konformation befinden. Und es dauert, bis sich die Atome neu anordnen, sobald ein Material die Übergangstemperatur zwischen Isolator und Metall erreicht.

Entscheidend ist, dass Vanadiumdioxid bei unterschiedlichen Temperaturen, abhängig von der im Material vorhandenen Sauerstoffmenge, zwischen einem Metall und einem Isolator übergeht.

Die Forscher nutzten diese Tatsache, um zwei dünne Schichten aus Vanadiumdioxid zu erzeugen - eine mit einer etwas niedrigeren Übergangstemperatur als die andere - die übereinander angeordnet sind, mit einer scharfen Schnittstelle dazwischen.

Als sie den dünnen Vanadiumdioxid-Sandwich erwärmten, machte eine Schicht den Strukturwechsel zu einem Metall. Atome in der anderen Schicht blieben fest in der isolierenden monoklinischen Phase.

Überraschenderweise leitete dieser Teil des Materials Strom. Vor allem aber blieb das Material stabil und behielt seine einzigartigen Eigenschaften.

Obwohl andere Forschergruppen versuchten, elektrisch leitfähige Isolatoren herzustellen, verloren diese Materialien fast sofort ihre Eigenschaften - sie blieben nur für wenige Femtosekunden bestehen. Das Material des Eom-Teams blieb jedoch stabil. "Wir konnten es stabilisieren, was es für reale Geräte nützlich macht", sagte Eom.

Der Schlüssel zu ihrem Ansatz war die zweilagige Sandwichstruktur. Jede Schicht war so dünn, dass die Schnittstelle zwischen den beiden Materialien das Verhalten des gesamten Stapels dominierte. Es ist eine Vorstellung, die Eom und seine Kollegen weiter verfolgen wollen. "Die Gestaltung von Schnittstellen könnte neue Materialien erschließen", sagte Eom.

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