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_TITEL . Meilensteine - Forschen für die Welt von morgen

_TEXT . Christine Bohnet


Wie Feuer und Wasser


FZD Journal 05 / März 2010

Auch in der Forschung gibt es schier unüberwindbare Gegensätze wie beispielsweise halbleitende und supraleitende Effekte. Eigentlich schließen sich diese beiden Materialeigenschaften aus.

Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf gelang zwei Wissenschaftlern ein Meilenstein auf dem selbst 100 Jahre nach der Entdeckung durch den Niederländer Heike Kamerlingh Onnes noch rätselhaften Gebiet der Supraleitung. Während sich Thomas Herrmannsdörfer schon lange mit Fragen der Supraleitung beschäftigt, setzt Viton Heera Ionenstrahlen, also schnelle, elektrisch geladene Atome, ein, um Materialeigenschaften zu verbessern. Dabei haben es ihm vor allem Halbleiter-Materialien wie das in der Chipindustrie gängige Silizium oder aber Germanium, das in den Anfängen der Mikroelektronik als vielversprechend galt, angetan. Gemeinsam begaben sich die beiden Physiker auf die gezielte Suche nach einem supraleitenden Halbleiter. Wurden weltweit vor etwa sechs Jahren und zum zweiten Mal vor drei Jahren die ersten beiden halbleitenden Elemente supraleitend - ein russisch-amerikanisches Forscherteam überführte Diamant, ein französisches Team Silizium in diesen ungewöhnlichen Zustand -, so sollte es nun zum dritten Mal gelingen. Die Rossendorfer Forscher entschieden sich für den Halbleiter Germanium.

FZD-Pressemitteilung: Supraleitende Chips – reine Zukunftsmusik?, Veröffentlichung über supraleitendes Germanium in Physical Review Letters, Bild: Sander Münster, Kunstkosmos

Animation der Implantation von Germanium-Wafern mit Gallium-Ionen (symbolisch blau), gefolgt von der Temperaturbehandlung durch kurze intensive Lichtblitze und schließlich Beobachtung der Supraleitung bei tiefen Temperaturen (symbolisch rot).

Aus einem Halbleiter einen Supraleiter zu machen bedeutet, um mit einem Vergleich zu sprechen, unüberwindbare Gegensätze wie etwa Feuer und Wasser zu vereinen. Der Effekt der Supraleitung kommt meist nur bei Metallen und prinzipiell nur bei tiefen Temperaturen vor. In vielen Fällen werden auch noch hohe Drücke benötigt, um Materialien metallisch - und somit supraleitend - zu machen. Halbleitende Materialien leiten aber gerade bei tiefen Temperaturen keinen Strom, weil ihnen frei bewegliche Ladungsträger, also freie Elektronen, fehlen. Supraleitung dagegen ist Stromfluss schlechthin, da viele Metalle, wenn man sie tief genug abkühlt, ihren elektrischen Widerstand verlieren und Strom ohne jegliche Verluste leiten. Demnach ist die Supraleitung nur möglich, wenn es im Material ausreichend viele freie Elektronen gibt. Diese verbinden sich bei tiefen Temperaturen auf eine besondere Art und Weise: stoßen sich Elektronen üblicherweise wegen ihrer negativen Ladung ab, so bilden hier je zwei Elektronen ein Paar. Diese Elektronenpaare bewegen sich ungestört im Material und leiten kollektiv verlustfrei Strom.

Germanium galt in der Fachwelt als denkbar schlechter Kandidat, was die Supraleitung anbelangt. Unüberwindbar schienen sowohl die niedrige Dichte freier Elektronen als auch deren schwache Tendenz zur Paarbildung zu sein. Neuerdings wächst allerdings das Interesse an diesem "alten" Halbleiter - Germanium war das Material der ersten Transistor-Generation, bevor es vom Silizium abgelöst wurde. Sogar eine Renaissance des Germaniums halten Experten für möglich, da die Miniaturisierung in der Mikroelektronik-Industrie bei Silizium an ihre Grenzen stößt. Das liegt daran, dass man heute sehr dünne Oxidschichten auf den Chips benötigt, die man besonders fein strukturieren möchte - und das funktioniert bei Siliziumoxid nicht mehr. Damit stellt sich auch die Frage nach dem Grundmaterial neu.

Halbleiter werden gezielt leitfähig gemacht, indem man fremde Atome in das Material einschleust. Wenn sich die Fremdatome zudem richtig verteilen, was unter kontrollierten Bedingungen beispielsweise mit hohen Temperaturen erreicht werden kann, so weist das Material im Ergebnis genau abgegrenzte Areale auf, die Strom leiten - oder eben nicht. Dies wiederum ist die Basis für all die superschnellen Schaltkreise in den vielen elektronischen Geräten, die wir unablässig nutzen.

 

Germanium - der schnelle Halbleiter

Germanium als wiederentdecktes Grundmaterial für Chips hätte den großen Vorteil, dass es schnellere Prozesse erlauben und zugleich zu einer weiteren Miniaturisierung in der Mikro- und Nano-Elektronik führen würde. Allerdings wartet es mit einem entscheidenden Nachteil auf: es lässt sich nur eingeschränkt dotieren, d.h. in das Material eingeschleuste Fremdatome zerstören das Kristallgitter und machen es unbrauchbar. Um nun auch noch supraleitendes Germanium zu erhalten, muss man mit extrem vielen Fremdatomen dotieren, weit mehr, als der Stoff gewöhnlich aufnehmen würde. Das schien für Germanium jenseits des Möglichen zu liegen. Zugleich vermutete die Fachwelt, dass sich auch bei gelungener Dotierung nicht genügend Elektronenpaare bei tiefen Temperaturen bildeten und so die Supraleitung für Germanium prinzipiell unmöglich wäre.

Die Rossendorfer Forscher implantierten rund sechs Atome Gallium pro 100 Atome Germanium in die Probe hinein. Mit einer speziellen Wärmebehandlung mit Hilfe einer im FZD entwickelten Blitzlampen-Anlage gelang es ihnen, das Kristallgitter des Germaniums weitgehend zu reparieren. Schließlich konnten sie in ihren umfangreichen Experimenten schlüssig nachweisen, dass tatsächlich die dotierte, nur sechzig Nanometer dünne Halbleiter-Schicht supraleitend wird. Könnte schon konventionelles Germanium in Zukunft für schnellere Schaltkreise in Computern sorgen, so führt der supraleitende Halbleiter vielleicht zu gänzlich neuen Formen von Schaltelementen. Diese würden im Vergleich zu gängigen Halbleiter-Elementen verlustfrei arbeiten und damit die Geschwindigkeit der Schaltzeiten nochmals erheblich steigern. Möglicherweise könnten zukünftig sogar quantenmechanische Effekte, die in den supraleitenden Nanostrukturen aus Germanium auftreten, genutzt werden. Viele Jahre Grundlagenforschung liegen noch vor solch einem neuartigen Quantencomputer, dem die Fachwelt eine revolutionäre Leistungssteigerung im Vergleich zu bisherigen Computern zutraut.

 

Rätsel Supraleitung

Viele Materialien werden supraleitend, wenn sie tief genug gekühlt werden. Die Temperatur, unterhalb derer Supraleitung einsetzt, nennt man Sprungtemperatur. Auch das Verhalten eines Supraleiters in einem Magnetfeld ist außergewöhnlich. Typisch ist nämlich, dass ein äußeres Magnetfeld aus dem Supraleiter verdrängt wird. Erst wenn das äußere Magnetfeld stark genug ist und das Material vollständig durchdringt, wird das Phänomen des verlustfreien Stromflusses aufgehoben. In der Fachwelt wird dies als kritisches Magnetfeld bezeichnet. Versteht man heute schon recht genau, welche Prozesse für die Tieftemperatur-Supraleitung verantwortlich sind, so geben Hochtemperatur-Supraleiter noch viele Rätsel auf. Sie zeichnen sich durch eine relativ hohe Sprungtemperatur - der Laborrekord liegt derzeit bei 155 Kelvin und ist noch weit von der Raumtemperatur von 300 Kelvin entfernt - und zugleich ein sehr hohes kritisches Magnetfeld aus.

Die FZD-Wissenschaftler waren, was das neue Material des supraleitenden Germaniums anbelangt, überrascht über das hohe kritische Magnetfeld im Vergleich zur niedrigen Sprungtemperatur von etwa 0,5 Kelvin. Die Kombination dieser beiden Größen war bislang nur selten beobachtet worden. Das Rossendorfer Physikerteam konnte zudem belegen, dass der Halbleiter Germanium reproduzierbar supraleitend wird und dass auch die Sprungtemperatur, bei der die Supraleitfähigkeit einsetzt, sich noch erhöhen lässt. Die gebündelte Expertise im Ionenstrahlzentrum sowie im Hochfeld-Magnetlabor Dresden des FZD erlaubt ein 'Fine-Tuning' der Parameter für weitere Experimente und so will man die Untersuchungen fortführen, um noch weitere Rätsel der Supraleitung zu knacken.

 


_KONTAKT

Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden im FZD
Dr. Thomas Herrmannsdörfer

Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im FZD
Dr. Viton Heera