Kontroverse geklärt: Warum zwei Isolatoren gemeinsam Strom leiten können

Seit Entdeckung dieses Effekts 2004 haben Forschende verschiedene Ansätze entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Paul Scherrer Instituts die Kontroverse wohl entschieden.

Sie haben gezeigt, dass es die Kombination der Eigenschaften der beiden Materialien ist, die den Effekt erzeugt und damit die Vorstellung widerlegt, dass sich an der Grenzfläche die Materialien vermischen und ein neues leitendes Material bilden. Die untersuchten Materialien sind sogenannte Perowskite – Angehörige einer grossen Klasse von Materialien mit interessanten elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die eine wesentliche Rolle für zukünftige elektronische Geräte spielen dürften. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Im Jahr 2004 entdeckten Forscher etwas Erstaunliches: verbindet man die beiden Substanzen SrTiO3 und LaAlO3, die beide selbst keinen Strom leiten, bildet sich an der Grenzfläche eine dünner elektrisch leitender Bereich. Gleich entstanden mehrere Ansätze, die den Effekt erklären sollten, und zu andauernden Kontroversen führten. „Es gibt Konferenzen, auf denen sich die Mehrheit aller Beiträge mit diesem Effekt beschäftigen“ erzählt Mathilde Reinle-Schmitt, Forscherin am PSI und Erstautorin der hier vorgestellten Arbeit. Bis heute überlebt haben im Wesentlichen zwei Erklärungsansätze. Um Klarheit in die kontroversen Ansätze zu bringen haben Forschende des PSI mit Kollegen der Uni Genf entsprechende Experimente durchgeführt. Wichtige theoretische Einsichten zu diesen Experimenten haben Forscher der Université de Liège beigetragen.

Vermischung oder polare Katastrophe?

Die beiden untersuchten Substanzen sind komplex aufgebaute Oxide – sogenannte Perowskite – mit einer typischen Ebenenstruktur. In SrTiO3 wechseln sich Ebenen aus Strontiumoxid (SrO) mit solchen aus Titandioxid (TiO2) ab; in LaAlO3 sind es Ebenen von Lanthanoxid (LaO) und Aluminiumdioxid (AlO2). Dabei unterscheiden sich die beiden Substanzen in einem Punkt: in SrTiO3 sind beide Ebenen elektrisch neutral, in LaAlO3 sind sie abwechselnd positiv und negativ geladen. Die Kombination zweier solcher Materialien führt nach Ansicht einer Gruppe von Forschern zur Entstehung hochbeweglicher Elektronen an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien – Elektronen, die den elektrischen Strom transportieren und so das Material leitend machen. Aber erst wenn die LaAlO3-Schicht ausreichend dick ist. Sonst ist die Materialkombination ein Isolator. Dieser Ansatz ist als «polare Katastrophe» bekannt. Andere Forscher sind hingegen davon überzeugt, dass die Leitfähigkeit entsteht, weil bekanntermassen sich die beiden Substanzen an der Grenzfläche vermischen und das der Ursprung einer neuen, leitenden Substanz ist.

Das passende Experiment

Um die Kontroverse zu klären, wollten die Forschenden die Frage klären: «ist ein Gemisch der beiden Substanzen leitend?» Dazu Mathilde Reinle-Schmitt: «Wir haben wieder mit SrTiO3 als Unterlage angefangen und darauf Gemische von SrTiO3 und LaAlO3 in verschiedenen Mischverhältnissen und Schichtdicken aufgebracht und die Leitfähigkeit gemessen. Das Ergebnis war überraschend: für dünne Schichten des aufgetragenen Gemisches war das System ein Isolator, für dickere Schichten wurde die Grenzfläche leitend. Und zwar muss die Schicht umso dicker sein, je weniger LaAlO3 in dem Gemisch enthalten ist. Diese Ergebnisse entsprechen perfekt den Voraussagen der polaren Katastrophe», so Claudia Cancellieri, PSI-Forscherin und zweite Autorin des Artikels «es wäre sehr schwierig, diese Ergebnisse mit Hilfe der Vermischung zu erklären.»

Vielfältige Anwendungen in Sicht

Perowskite, zu denen die untersuchten Substanzen gehören, haben oft interessante elektrische und magnetische Eigenschaften, die zum Teil noch nie in anderen Materialien beobachtet worden sind. Eine weitere wichtige Besonderheit nennt Philip Willmott, Leiter der Arbeitsgruppe am PSI: «Im Gegensatz zu den heute genutzten Halbleitern, haben verschiedene Perowskite eine ähnliche Struktur und lassen sich so leicht zusammenfügen, so dass man leicht verschiedene Eigenschaften in einem Baustein kombinieren könnte – Supraleiter mit Materialien, die sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren oder solchen, mit denen man Substanzen in der Luft nachweisen kann.» Materialien, in denen der Strom nicht in alle drei Raumrichtungen fliessen kann, sondern in nur einer oder wie hier zwei sind auch ein aktuelles Forschungsthema, das zahlreiche Anwendungen erwarten lässt.
Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt / Ansprechpartner

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Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz,
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24, quai Ernest-Ansermet, CH-1211 Genève 4,
Telefon: +41 22 379 66 55; E-Mail: Jean-Marc.Triscone@unige.ch

Prof. Philippe Ghosez, Université de Liège, Institut de Physique, B5a,
Allée du 6 août, 17, B-4000 Sart Tilman, Belgien,
Telefon: +32 43 66 36 11; E-Mail: Philippe.Ghosez@ulg.ac.be

Originalveröffentlichung

Tunable conductivity threshold at polar oxide interfaces
M.L. Reinle-Schmitt, C. Cancellieri, D. Li, D. Fontaine, M. Medarde, E. Pomjakushina, C.W. Schneider, S. Gariglio,
Ph. Ghosez, J.-M- Triscone, P.R. Willmott
Nature Communications:
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms1936