Paul Scherrer Institut
Villigen, 8. Dezember 2022 – Neue Materialien könnten die Computertechnik revolutionieren. Einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg dorthin haben Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI mit der Forschung an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS erreicht.
Mikrochips bestehen aus Silizium und funktionieren nach dem physikalischen Prinzip des Halbleiters. Seit der Erfindung des Transistors in den Bell Laboratories in Amerika im Jahr 1947 hat sich nichts geändert. Seitdem haben Forscher immer wieder das Ende des Siliziumzeitalters prophezeit und sich geirrt. Die Siliziumtechnologie lebt und entwickelt sich rasant. Der Computerkonzern IBM hat gerade den ersten Mikroprozessor vorgestellt, bei dem Transistorstrukturen nur zwei Nanometer klein sind und bis zu 20 Atome nebeneinander angeordnet sind. was kommt als nächstes Noch kleinere Strukturen? Wahrscheinlich ja, zumindest für dieses Jahrzehnt.
Gleichzeitig nehmen in Forschungslabors Ideen für eine neue Technologie Gestalt an, die alles, was wir über Mikroelektronik zu wissen glaubten, revolutionieren könnte. Eines der leuchtenden Beispiele dafür ist das Team von Milan Radovic. Heute Milan Radovic vom Paul Scherrer Institut a Physik der Kommunikation präsentierte ein spannendes Forschungsergebnis zu transparenten Oxiden (TO), das die Tür zu dieser neuen Technologie öffnen könnte.
Neue Mikrochips
Radovic und seine Mitarbeiter Muntaser Naamneh und Eduardo Guedes arbeiten zusammen mit der Gruppe von Bharat Jalan an der Universität von Minnesota, USA, nicht mit Silizium, sondern mit Übergangsmetalloxiden (TMOs). Sie weisen außergewöhnliche und multifunktionale Phänomene wie Hochtemperatur-Supraleitung, kolossalen magnetoresistiven Effekt, Metall-Isolator-Übergang und vieles mehr auf. Was für den Laien zunächst verwirrend erscheint, verspricht enorme Fortschritte für die Chiptechnologie der Zukunft.
In ihrer Arbeit an der aktuellen Publikation konzentrieren sich die Forscher auf Barium-Zinn-Oxid (BaSnO3), das optische Transparenz mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verbindet.
Seit einiger Zeit versuchen Forscher, Oxiden aus Übergangsmetallen und insbesondere transparenten Oxiden wie BaSnO3 und SrSnO3 halbleiterähnliche Eigenschaften zu verleihen. Dies hätte gegenüber Silizium innovative Vorteile für optoelektronische Elemente: Mit diesen sogenannten transparenten, leitfähigen Perowskiten wären Schaltelemente möglich, bei denen die elektronischen Eigenschaften direkt mit den optischen Eigenschaften gekoppelt sind. Damit wären lichtschaltbare Transistoren denkbar.
Kenntnisse über Grenzschichten sind unerlässlich
Alle Mikrochips bestehen aus Kombinationen verschiedener Materialien. Für seine Funktion ist es wichtig zu wissen, was in den dünnen Grenzschichten zwischen diesen Materialien passiert. Manche Materialien haben an ihrer Oberfläche ganz andere physikalische Eigenschaften als im Inneren. Tatsächlich können sich an den Grenzen von Materialien exotische Materiephasen bilden, eine Erkenntnis, für die drei britische Physiker den Nobelpreis für Physik 2016 erhielten.Das jetzt veröffentlichte Papier beschreibt bedeutende Fortschritte beim Verständnis der elektronischen Eigenschaften der BaSnO3-Oberfläche.
Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie in einem Strahlrohr der Schweizer Lichtquelle SLS wurde verwendet, „um den zweidimensionalen elektronischen Zustand von BaSnO3 zu entdecken, der neue Perspektiven für diese Materialklasse eröffnet“, betont Eduardo Guedes
Beste Bedingungen für die Spektroskopie an der SLS
Dass dieses Ergebnis am PSI erzielt wurde, ist kein Zufall. Die Forschenden haben am PSI ein Labor, das darauf spezialisiert ist, diese dünnen Schichten herzustellen, zu modifizieren und umfassend zu untersuchen. Zudem bietet das PSI mit seiner SLS beste Voraussetzungen für die Abbildung von Materialien mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Diese spektroskopischen Methoden sind eine Spezialität des Schweizer Forschungszentrums. Es gibt nur drei Orte auf der Welt, an denen alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden. Dazu bedarf es ausreichender Kenntnisse und einer leistungsfähigen Forschungsinfrastruktur. «Am PSI schaffen und verbinden wir Verständnis mit experimentellen Fähigkeiten», sagt Radovic. Die Forscher wollen nun herausfinden, welche anderen Substanzen ähnliche Eigenschaften aufweisen und mögliche Kandidaten für die optischen Mikrochips der Zukunft sein könnten.
Milan Radovic betont jedoch, dass die Siliziumtechnologie nicht der Vergangenheit angehört. Dies ist sehr entwickelt und effizient. „Aber die auf Übergangsmetalloxiden basierende Technologie ist leistungsfähiger und vielfältiger – ihre Zeit wird kommen.“
Text: Bernd Müller
Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinschaft zur Verfügung. Die eigenen Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung junger Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeiter Postdocs, Doktoranden oder Praktikanten. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund 400 Millionen Franken. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, zu dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne sowie die Forschungsanstalten Eawag, Empa und WSL gehören.
Originalausgabe
Oberflächenzustand in BaSnO3 nachgewiesen durch winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und Ab-initio-RechnungenMuntaser Naamneh, Eduardo B. Guedes, Abhinav Prakash, Henrique MM Cardoso, Ming Shi, Nicholas C. Plumb, Walber H. Brito, Bharat Jalan, Milan RadovicPhysik der Kommunikation07.12.2022 DOI: /10.1038/s42005-022-01091-y
Adresse für Rückfragen
Prof.. DR. Milan RadovicSynchrotron Light Source Switzerland SLSPaul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, SchweizTelefon: +41 56 310 55 65E-Mail: milan.radovic@psi.ch
Verleger
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