Ein Material mit hoher Elektronenbeweglichkeit ist wie eine Autobahn ohne Verkehr. Elektronen, die in das Material eintreten, bewegen sich ohne Hindernisse oder Verzögerungen, die sie verlangsamen oder zerstreuen würden.

Je höher die Elektronenbeweglichkeit, desto effizienter ist die elektrische Leitfähigkeit des Materials, und desto weniger Energie geht verloren, während die Elektronen durch das Material fließen. Fortschrittliche Materialien mit hoher Elektronenbeweglichkeit werden entscheidend für effizientere und nachhaltigere elektronische Geräte sein, die mehr Arbeit mit weniger Energieverbrauch leisten können.

Jetzt haben Physiker vom MIT, dem Army Research Laboratory und anderen Institutionen ein Rekordniveau der Elektronenbeweglichkeit in einem dünnen Film von ternären Tetradymiten erreicht — einer Klasse von Mineralien, die natürlich in tiefen hydrothermalen Gold- und Quarzlagerstätten vorkommen.

Für diese Studie züchteten die Wissenschaftler reine, ultradünne Filme des Materials auf eine Weise, die die Defekte in seiner Kristallstruktur minimierte. Sie stellten fest, dass dieser nahezu perfekte Film — viel dünner als ein menschliches Haar — die höchste Elektronenbeweglichkeit in seiner Klasse zeigt.

Das Team konnte die Elektronenbeweglichkeit des Materials abschätzen, indem es Quantenoszillationen entdeckte, wenn elektrischer Strom durch das Material fließt. Diese Oszillationen sind ein Zeichen für das quantenmechanische Verhalten der Elektronen im Material. Die Forscher entdeckten einen bestimmten Rhythmus der Oszillationen, der charakteristisch für eine hohe Elektronenbeweglichkeit ist — höher als bei jedem bisher bekannten ternären dünnen Film dieser Klasse.

Jagadeesh Moodera, leitender Wissenschaftler am MIT-Physikinstitut, sagt: "Früher war das, was die Leute in Bezug auf die Elektronenbeweglichkeit in diesen Systemen erreicht haben, wie Verkehr auf einer Baustellenstraße — man bleibt hängen, kann nicht fahren, es ist staubig und chaotisch. In diesem neuen optimierten Material ist es wie eine Fahrt auf dem Mass Pike ohne Verkehr."

Die Ergebnisse des Teams, die heute in der Zeitschrift Materials Today Physics veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass ternäre Tetradymit-Dünnfilme vielversprechende Materialien für die zukünftige Elektronik sind, wie tragbare thermoelektrische Geräte, die Abwärme effizient in elektrische Energie umwandeln. (Tetradymite sind aktive Materialien, die in kommerziellen thermoelektrischen Kühlern einen Kühleffekt verursachen.) Das Material könnte auch die Grundlage für spintronische Geräte bilden, die Informationen mithilfe des Elektronenspins verarbeiten und dabei weitaus weniger Energie verbrauchen als herkömmliche auf Silizium basierende Geräte.

Die Studie nutzt Quantenoszillationen auch als sehr effektives Werkzeug zur Messung der elektronischen Leistung von Materialien.

Hang Chi, Hauptautor der Studie und ehemaliger Wissenschaftler am MIT, jetzt an der Universität Ottawa, sagt: "Wir verwenden diese Oszillation als Schnelltestkit. Indem wir diesen delikaten Quantentanz der Elektronen untersuchen, können Wissenschaftler beginnen, neue Materialien zu verstehen und zu identifizieren, die die nächste Generation von Technologien antreiben werden, die unsere Welt versorgen."
Chi und Moodera sind Mitautoren mit Patrick Taylor, einem ehemaligen Mitglied des MIT Lincoln Laboratory, zusammen mit Owen Vail und Harry Hier vom Army Research Laboratory sowie Brandi Wooten und Joseph Heremans von der Ohio State University.

Herkunft des Tetradymits
Der Name "Tetradymit" stammt vom griechischen Wort "tetra" für "vier" und "dymite", was "Zwilling" bedeutet. Beide Begriffe beschreiben die Kristallstruktur des Minerals, die aus rhomboedrischen Kristallen besteht, die "Zwillinge" in Gruppen von vier sind — d. h. sie haben identische Kristallstrukturen, die eine Seite teilen.

Tetradymite enthalten Kombinationen aus Wismut, Antimon, Tellur, Schwefel und Selen. In den 1950er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass Tetradymite halbleitende Eigenschaften aufweisen, die ideal für thermoelektrische Anwendungen sein könnten: Das Mineral in seiner großen Kristallform konnte passiv Wärme in elektrische Energie umwandeln.

Dann, in den 1990er Jahren, schlug die verstorbene Professorin am Institut, Mildred Dresselhaus, vor, dass die thermoelektrischen Eigenschaften des Minerals erheblich verbessert werden könnten, nicht in seiner großen Form, sondern innerhalb der mikroskopischen, nanometergroßen Oberfläche, wo die Elektronenwechselwirkungen ausgeprägter sind. (Heremans arbeitete zu dieser Zeit in der Dresselhaus-Gruppe.)

Fortschritt im Wachstum von Dünnfilmen
"Es wurde klar, dass, wenn man dieses Material lange genug und aus nächster Nähe betrachtet, neue Dinge geschehen," sagt Chi. "Dieses Material wurde als topologischer Isolator identifiziert, wo Wissenschaftler sehr interessante Phänomene an ihrer Oberfläche beobachten konnten. Aber um weiterhin neue Dinge zu entdecken, müssen wir das Wachstum des Materials beherrschen."

Um dünne Filme aus reinem Kristall zu züchten, verwendeten die Forscher die Molekularstrahlepitaxie — eine Methode, bei der ein Strahl von Molekülen auf ein Substrat geschossen wird, normalerweise im Vakuum, bei präzise kontrollierten Temperaturen. Wenn sich die Moleküle auf dem Substrat ablagern, kondensieren sie und wachsen langsam, eine atomare Schicht nach der anderen. Durch die Steuerung der Zeit und der Art der abgelagerten Moleküle können Wissenschaftler ultradünne Kristallfilme in genauen Konfigurationen züchten, mit wenigen oder keinen Defekten.

Patrick Taylor, Mitautor, erklärt: "Normalerweise können Wismut und Tellur ihre Positionen austauschen, was Defekte im Kristall verursacht. Das System, das wir für das Wachstum dieser Filme verwendet haben, habe ich aus dem MIT Lincoln Laboratory mitgebracht, wo wir hochreine Materialien verwenden, um Verunreinigungen auf unmerkliche Grenzen zu reduzieren. Es ist das perfekte Werkzeug für diese Forschung."

Freier Fluss
Das Team züchtete dünne Filme aus ternärem Tetradymit, jeder etwa 100 Nanometer dünn. Dann testeten sie die elektronischen Eigenschaften des Films, indem sie nach Shubnikov-de Haas-Quantenoszillationen suchten — ein Phänomen, das von den Physikern Lev Shubnikov und Wander de Haas entdeckt wurde, die feststellten, dass die elektrische Leitfähigkeit von Materialien oszillieren kann, wenn sie einem starken Magnetfeld bei niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Dieser Effekt tritt auf, weil die Elektronen des Materials spezifische Energieniveaus besetzen, die sich ändern, wenn sich das Magnetfeld ändert.

Solche Quantenoszillationen können als Signatur der elektronischen Struktur eines Materials und der Art und Weise dienen, wie sich Elektronen verhalten und miteinander interagieren. Am bedeutendsten für das MIT-Team können die Oszillationen die Elektronenbeweglichkeit eines Materials bestimmen: Wenn Oszillationen vorhanden sind, muss dies bedeuten, dass sich der elektrische Widerstand des Materials ändern kann, und folglich können die Elektronen beweglich sein und frei fließen.

Das Team suchte nach Anzeichen von Quantenoszillationen in ihren neuen Filmen, indem sie sie zunächst ultrakalten Temperaturen und einem starken Magnetfeld aussetzten, dann elektrischen Strom durch den Film leiteten und die Spannung entlang seines Weges maßen, während sie das Magnetfeld nach oben und unten einstellten.

Hang Chi sagt: "Es stellte sich heraus, zu unserer großen Freude und Aufregung, dass der elektrische Widerstand des Materials oszilliert. Das sagt Ihnen sofort, dass es eine sehr hohe Elektronenbeweglichkeit hat."

Das Team schätzt, dass der ternäre Tetradymit-Dünnfilm eine Elektronenbeweglichkeit von 10.000 cm2/V-s aufweist — die höchste jemals für einen ternären Tetradymit-Film gemessene Beweglichkeit. Das Team vermutet, dass die Rekordbeweglichkeit des Films mit seiner geringen Anzahl an Defekten und Verunreinigungen zusammenhängt, die sie durch ihre präzisen Wachstumsstrategien minimieren konnten. Je weniger Defekte im Material vorhanden sind, desto weniger Hindernisse begegnen die Elektronen, und desto freier können sie fließen.

Jagadeesh Moodera sagt: "Dies zeigt, dass es möglich ist, einen großen Schritt vorwärts zu machen, wenn wir diese komplexen Systeme richtig kontrollieren. Dies sagt uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind und das richtige System haben, um weitere Fortschritte zu erzielen, um dieses Material weiter zu verfeinern, um noch dünnere Filme und enge Verbindungen für den Einsatz in zukünftigen spintronischen und tragbaren thermoelektrischen Geräten zu verwenden."

Diese Forschung wurde teilweise vom Army Research Office, der National Science Foundation, dem Office of Naval Research, dem Canada Research Chairs Program und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada unterstützt.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology