Das kleinste Sandwich der Welt

Neue Digitalspeicher entstehen mit Lacken, Siliziumscheiben und Elektronen, die durch Wände gehen.

Kein Stäubchen und kein Tageslicht dürfen stören, wenn Pervin Sahin im Nanolabor arbeitet. Die Studentin ist wissenschaftliche Hilfskraft in der Arbeitsgruppe Nanoelektronik von Professor Hermann Kohlstedt. Sorgsam lässt sie lichtempfindlichen Lack auf eine hauchdünne Siliziumscheibe träufeln. Anschließend wird die Scheibe unter einer Maske belichtet, die ein Muster aus durchsichtigen und undurchsichtigen Stellen hat. Wie beim Entwickeln von Fotos badet die Scheibe danach in Chemikalien. Zurück bleibt das Muster im Lack. »Die freien Stellen kann man nun ätzen oder mit Metall beschichten«, erklärt Kohlstedt, der am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik lehrt. »Nach mehreren solchen Prozessen entsteht am Ende ein elektronisches Bauelement, das als Tunnelkontakt bezeichnet wird.« Es wird gebraucht, um neuartige Speicher für Computer zu entwickeln. »Uns interessieren natürlich vor allem die Grundlagen«, sagt Hermann Kohlstedt. »Eine praktische Anwendung wäre ein elektronischer Universalspeicher für den PC, aber auch der Einsatz in Schaltkreisen ist denkbar.«

Jetzt noch einmal ganz langsam: Was sind Tunnelkontakte? Und was haben sie mit Computern zu tun? Um zu verstehen, womit sich das siebenköpfige internationale Team an der Uni Kiel beschäftigt, ist ein kleiner Ausflug in die Quantenmechanik notwendig. Sie wurde zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelt und hat seitdem wesentlich zum Verständnis der Materie beigetragen. Eine wichtige Erkenntnis war, dass sich Elektronen sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten können. So ist seit hundert Jahren bekannt, dass ein Elektron als Welle – bildlich gesprochen – durch Wände gehen kann. Vorausgesetzt, die Wände sind dünn genug. Dieses Phänomen nennt man »Tunneleffekt«, es fließt ein »Tunnelstrom«. »In der Nanoelektronik gibt es immer mehr Bauelemente, die auf dem Tunneleffekt beruhen, und deren Bedeutung in der Informationstechnik stetig zunimmt«, sagt Hermann Kohlstedt. »Wir entwickeln und beschreiben solche Bauelemente.«

Die Vorsilbe »Nano« deutet schon an, dass es hier um sehr kleine Einheiten geht, die wenig größer als ein Atom sind. Wenn im Folgenden von Schichten die Rede ist, dann sind sie einen bis drei Nanometer dick. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstelmeter.

Der Tunnelkontakt auf der Siliziumscheibe ist aufgebaut wie ein Sandwich. Zwei Metallschichten umschließen eine ferroelektrische Schicht. Sie besteht, vereinfacht gesagt, aus vielen kleinen elektrischen Dipolen. Ähnlich wie Magnete haben sie zwei Pole, nämlich mit positiver und negativer elektrischer Ladung. Unterhalb einer bestimmten Temperatur richten sie sich spontan aus, sodass die Pole mit gleicher Ladung in der gleichen Richtung liegen. Der Fachbegriff dafür ist »spontane Polarisation«. Eine angelegte Spannung kann bewirken, dass die Dipole in die andere Richtung umklappen – dieses Phänomen bezeichnet man als »ferroelektrisch«.

Mit Hilfe von elektrischer Spannung kann man also zwischen zwei verschiedenen Zuständen umschalten. Computerfreaks wissen jetzt Bescheid: Die Rede ist von einem Bit, von Null oder Eins. »Damit haben wir einen Informationsspeicher – in einer Anwendung bräuchte man natürlich Gigabyte«, so Kohlstedt weiter. Er befasst sich mit diesen Fragen seit 1999, als er noch am Forschungszentrum Jülich arbeitete. »Zunächst ging es darum, ob bei einer Dicke im Nanometerbereich auch noch spontane Polarisation vorhanden ist«, erklärt er. »Das ist inzwischen belegt.« Am Kieler Nanolabor experimentieren er und seine Arbeitsgruppe nun mit verschiedenen Materialien.

Mittlerweile beschäftigten sich viele in der Forschung mit ferroelektrischen Tunnelkontakten, berichtet Hermann Kohlstedt. Jüngste Experimente zeigten, dass die theoretischen Beschreibungen richtig sind. In naher Zukunft könnten deshalb ferroelektrische Tunnelkontakte gezielt für Digitalspeicher eingesetzt werden.

Eva-Maria Karpf

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