Schaltung des Stromflusses auf atomarer Skala
Spannungs- und frequenzabhängig bilden sich im Halbleiter polare Domänen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtung aus, deren Wände einfache Diodeneigenschaften auf atomarer Skala aufweisen. © Brosseit/Meier/Krohns
Die Grenzflächen zwischen zwei elektrisch unterschiedlich polarisierten Bereichen im Festkörper werden als ferroelektrische Domänenwände bezeichnet. In der Forschung wird es seit etwa zehn Jahren als Herausforderung gesehen, mit diesen nanoskaligen Elementen elektronische Schaltungen zu verwirklichen, weil diese u. a. einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung leistungsfähigerer Speichertechnologien leisten könnten.
Der Augsburger Physiker Dr. Stephan Krohns und seine Kooperationspartner an der Norwegian University of Science and Technology in Trondheim sowie an der ETH Zürich berichten im renommierten Fachjournal „Nature Nanotechnology“ über den ihnen gelungenen experimentellen Nachweis einer einfachen Diodenschaltung mit gleichrichtenden Eigenschaften an ferroelektrischen Domänenwänden.
Der Nachweis, dass die Domänenwand selbst ein Gleichrichten des Stromflusses ermöglicht, gelang dem internationalen Materialwissenschaftler- und Physikerteam durch die Kombination von makroskopischen und mikroskopischen Untersuchungen am Halbleiter ErMnO3.
Mit dielektrischer Spektroskopie wurde am Institut für Physik der Universität Augsburg die Frequenzabhängigkeit von Schottky-Dioden – das sind Grenzflächenübergänge zwischen Metall und Halbleiter – an der Probenoberfläche nachgewiesen und analysiert.
Die aus diesen Untersuchungen zur Frequenzabhängigkeit der Grenzflächenkontakte einhergehende Einsicht, dass sich die elektrischen Eigenschaften einer Domänenwand in ferroelektrischen Halbleitern deutlich von den umgebenden Domänen unterscheiden und dementsprechend als Schalter fungieren könnten, wurde an der ETH Zürich von Prof. Dennis Meier und Dr. Jakob Schaab in Nanometerauflösung bestätigt, und zwar rasterkraftmikroskopisch und unter Anlegung von Wechselspannungen.
Darauf basierend konnte das kooperierende Theorie-Team in Trondheim schließlich dichtefunktionaltheoretisch ein neues Modell für den elektronischen Transport in und an Domänenwänden berechnen.
„Bisher ging man davon aus, dass diese Domänenwände keine besonderen elektronischen Eigenschaften aufweisen würden und dass elementare elektronische Schaltungen an solchen Grenzflächen dementsprechend nicht auf atomarer Skala realisierbar wären. Diese Annahme“, so Krohns, „konnten wir jetzt widerlegen. Sie resultierte daraus, dass die von uns durch Kombination von makroskopischer dielektrischer Spektroskopie einerseits und rasterkraftmikroskopischen Untersuchungen andererseits erstmalig ermittelten frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bislang außen vor geblieben waren.“
Krohns sieht in den neuen Einsichten, zu denen er und seine Kollegen gekommen sind, einen wichtigen Schritt im Bemühen, elementare elektronische Schaltungen auf atomarer Skala an Domänenwänden zu verwirklichen. Und die Realisierung solcher Schaltungen mit ferroelektrischen Halbleitern könnte nicht zuletzt der Entwicklung effizienterer Speichertechnologien eine neue Richtung geben, nachdem jetzt nachgewiesen ist, dass der ferroelektrische Halbleiter an sich als Substrat und auch für die Verwirklichung von logischen Schaltungen an seinen Domänenwänden. geeignet ist.
Dr. Stephan Krohns
Junior Research Group ENREKON
Experimental Physics V
Center for Electronic Correlations and Magnetism
and Institute of Materials Resource Management
University of Augsburg
Universitaetsstr. 1
D-86159 Augsburg, Germany
Phone: +49 (0)821/598-3606
Fax: +49 (0)821/598-3649
http://www.physik.uni-augsburg.de/lehrstuehle/exp5/NWG_ENREKON
http://www.mrm.uni-augsburg.de
Jakob Schaab, Sandra H. Skjærvø, Stephan Krohns, Xiaoyu Dai, Megan E. Holtz, Andrés Cano, Martin Lilienblum, Zewu Yan, Edith Bourret, David A. Muller, Manfred Fiebig, Sverre M. Selbach & Dennis Meier: Electrical-half-wave rectification at ferroelectric domain walls, Nature Nanotechnology, 10 September 2018, http://www.nature.com/articles/s41565-018-0253-5#auth-1, DOI http://doi.org/10.1038/s41565-018-0253-5
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