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Materialforschung

Warum zwei Isolatoren gemeinsam Strom leiten können

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Vermischung oder polare Katastrophe?

Die beiden untersuchten Substanzen sind komplex aufgebaute Oxide – so genannte 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 beantworten, ob ein Gemisch der beiden Substanzen leitend ist. 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 mithilfe 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, sodass 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.Originalpublikation: 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: 10.1038/ncomms1936

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