Goldmine für die Nanoelektronik

Hoffnung auf weniger Defekte im natürlichen Material erfüllte sich

Im Fundus der Natur gibt es Materialien, die für zahlreiche unterschiedliche Anforderungen optimiert sind: Eine besondere Nanostruktur macht Opale zu photonischen Kristallen, die nur Licht bestimmter Wellenlängen reflektieren. Graphen sowie Molybdän- und Wolframsulfid besitzen außergewöhnliche elektronische Eigenschaften, Diamant zeichnet sich durch seine Härte aus und Perlmutt durch seine Bruchfestigkeit. In der Natur finden sich auch Quasikristalle, die zwar geordnet, aber nicht periodisch strukturiert sind und unter anderem sehr reibungsarme Oberflächen ermöglichen könnten. Nun wurden auch natürliche topologische Isolatoren entdeckt, die sich dank eines ausgefallenen Quanteneffektes als Materialien für eine neue Form der Datenverarbeitung empfehlen. Grafik © fkf.mpg.de

Bei der Suche nach dem Stoff orientierten sich die Forscher an Rezepturen, die schon im Labor topologische Isolatoren ergeben hatten. Diese Materialien – so hatten es die theoretischen Physiker berechnet – müssen schwere Metalle wie Bismut, Antimon oder Blei enthalten, weil nur in ihnen der Spin der Elektronen stark mit ihrer Bewegungsrichtung gekoppelt ist. „Verbindungen aus diesen Elementen und Selen oder Tellur werden auch in Goldminen gefunden“, so Pascal Gehring, „Wir hofften, dass sie durch ihre geologische Entstehung, vor allem die lange Zeit, die sie im Gestein eingeschlossen waren, weniger Defekte enthalten als synthetische Materialien.“

Defekte, die sich im Labor kaum vermeiden lassen, beeinträchtigen den topologischen Isolator. „Es gibt heute zwar effiziente Methoden, um Kristalle aus solchen Verbindungen kontrolliert zu züchten, aber selbst dabei treten immer noch Defekte auf – vor allem Anionen fehlen oft im Kristallgitter synthetischer Materialien“, erklärt Marko Burghard. Der Anionenmangel bewirkt einen Elektronenüberschuss im Inneren eines Kristalls, sodass die Leitfähigkeit dort steigt und letztlich im Material fast genauso hoch ist wie auf seiner Oberfläche – von einem topologischen Isolator kann dann nicht mehr die Rede sein. Die Hoffnung der Stuttgarter Forscher auf eine geringere Ladungsträger-Konzentration in den Kawazulit-Kristallen hat sich erfüllt, und damit hat das Material auch eine gute Perspektive für die Nanoelektronik.