Bismut könnte bessere Elektronik ermöglichen

Für neue energieeffiziente Elektronik-Komponenten könnte das Element Bismut ein vielversprechendes Material sein. Um praxistauglich zu sein, muss es jedoch auch grundsätzlich tolerant sein gegenüber Verunreinigungen sein. Das konnten zwei Forscher vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) nun erstmals für Bismut nachweisen.
Gemeinsam mit dem amerikanischen Brookhaven National Laboratory stellten die Forscher zunächst eine extrem glatte Bismutschicht her, mit überraschenden Eigenschaften: Egal wie dick der Layer ist, ihr elektrischer Widerstand bleibt immer gleich, da der Strom ausschließlich in einer dünnen Schicht direkt an der Oberfläche fließt. Daher ist dies ein ideales System, um zu testen, wie sich Verunreinigungen auf der Oberfläche auf den Elektronentransport auswirken.

Um das herauszufinden, haben die Wissenschaftler weitere Bismutatome auf die zuvor so perfekt glatte Schicht aufgebracht. Dafür waren Temperaturen von rund -190 °C notwendig und zusätzlich ein Vakuum, das noch weniger Moleküle enthält als das Vakuum im Weltall. Die Atome setzten sich dann zunächst auf der vormals glatten Oberfläche ab wie Sandkörner auf einer Fliese. Doch sie sind beweglich und liefen daher zu "Inseln" zusammen, die aus vielen nebeneinanderliegenden Atomen bestanden.

Elektrische Messungen ergaben das zweite erstaunliche Ergebnis: Egal, ob ein Elektron bei seinem Weg auf ein einzelnes Atom oder eine ganze Insel trifft, es wird immer auf die gleiche Weise von seiner Bahn abgelenkt. Das ist verwunderlich, denn unsere Intuition sagt uns, dass ein größeres Hindernis eigentlich häufiger getroffen werden und damit stärker streuen müsste.

"Wenn Sie auf der Autobahn fahren, ist es auch egal, ob auf einmal ein Stuhl oder ein liegengebliebener LKW auf der Fahrbahn steht - bremsen müssen Sie in beiden Fällen", erklärte Projektleiter Axel Lorke das Phänomen. Das Überraschende sei jedoch, dass man um einen LKW eine weit größere Kurve fahren würde als um einen Stuhl. Das tut das Elektron aber nicht - es weicht immer gleich weit aus.

Erste Erklärungen der beiden Experimentalphysiker basieren auf der Quantenphysik, die besagt, dass Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben. Und genauso wie Meereswellen an einer Kaimauer reflektiert werden, treffen auch die Elektronenwellen auf die atomaren Inseln und werden dort gestreut. Und jedes gestreute Elektron vermindert den Stromfluss durch das Material.

Ein weiteres Ergebnis beweist, dass die Wechselwirkung zwischen Elektron und Insel extrem klein ist: Nur jedes hundertste Elektron wird überhaupt gestreut. Damit sind die Atominseln für Elektronen leichter zu passieren als eine Fensterscheibe für Licht, wo die Reflexion etwa 4 Prozent ausmacht. Dies ist bedeutend für elektronische Bauteile der Zukunft. Denn je weniger die Elektronen gestreut werden, desto schneller lässt sich der Strom schalten und desto weniger elektrische Leistung wird benötigt. Bismut Bismut
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