Size matters

25. Jänner 2004, 18:58
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Warum Materialien unter einem bestimmten Schwellenwert ihre Eigenschaften verlieren

Halle/Saale - Wissenschaftler des Max-Planck-Institus für Mikrostrukturphysik haben entdeckt, warum viele Materialien ihre nutzbringenden Eigenschaften verlieren, wenn ihre äußeren Abmessungen unter einen bestimmten Schwellenwert fallen. Dieser so genannte Size-Effekt behindert nämlich eine weitere Verkleinerung hochtechnologischer Bauteile berichten die Experten in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature Materials".

Der Forschergruppe um Ming-Wen Chu, Marin Alexe und Dietrich Hesse am Max-Planck-Institut ist es nun gelungen, einen bisher nicht beachteten Mechanismus für diesen Size-Effekt bei ferroelektrischen Materialien wie Bleizirkonat-Titinat, Strontiumwismut-Tantalat und Wismut-Titanat zu finden. Diese Materialien werden für die Herstellung elektronischer, elektromechanischer und elektrooptischer Bauelemente verwendet. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass bestimmte, kaum ein Zehntel Nanometer dicke, linienförmige Baufehler des Kristallgitters, die sich an der Grenzfläche zwischen kleinen, rund zehn Nanometer dünnen Bleizirkonat-Titanat-Inseln und der Strontiumtitanat-Unterlage ausbilden, ganz wesentlich zum Verlust der Speichereigenschaften dieser Inseln führen können.

"Gitterfehlpassungsversetzung"

"Mit Hilfe der hochauflösenden Elektronenmikroskopie konnten wir erkennen, dass jeder dieser Baufehler einen ca. 20 bis 50 Nanometer langen schlauchförmigen Materialbereich so stark verformt, dass das Material dort seine Speichereigenschaften verliert", berichtet Hesse. Die Ausbildung solcher Baufehler müsse strikt vermieden werden, wenn ferroelektrische Oxide mit Abmessungen im Nanometerbereich eingesetzt werden und dabei ihre Speichereigenschaften behalten sollen, führt der Wissenschaftler aus. Diese Strukturveränderung nennen die Forscher "Gitterfehlpassungsversetzung".

"Ein in der Halbleiterphysik seit langem bekanntes Problem, nämlich die störende Wirkung von Gitterfehlpassungsversetzungen auf die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanostrukturen, hat sich überraschenderweise nun auch für die Speicherfähigkeit ferroelektrischer Nanostrukturen als relevant herausgestellt", führt Ulrich Gösele, Direktor und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik aus.

Das Ziel

Die Forscher arbeiten nämlich daran, nichtflüchtige Speicherzellen mit einer Datendichte von mehreren Mrd. Bit pro Quadratzentimeter herzustellen, um so die Arbeitsspeicher von PCs wesentlich zu verbessern. Das zeit- und stromraubende Booten der Computer und das langsame Speichern der Daten auf der Festplatte würden dann der Vergangenheit angehören. Zu den notwendigen Voraussetzungen müssen die Speicherzellen bis in Dimensionen von wenigen Dutzend Nanometern verkleinert werden.

Die Klärung der Frage, warum die ferroelektrischen Oxide unterhalb einer bestimmten Größenschwelle ihre Speichereigenschaften verlieren, ist daher von besonders großer Bedeutung. "Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten, um bestimmte Materialkombinationen gezielt für den Einsatz ferroelektrischer Oxide in miniaturisierten Speicherbauelementen auszuwählen", erklärt Gösele. (pte)

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