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News: An der Grenze zwischen Leiter und Isolator

Mit einer neuen Technik haben Wissenschaftler die Dynamik von Elektronen an der Grenzfläche zwischen einem Leiter und einem Isolator untersucht. Sie beobachteten Vorgänge von nur wenigen Femtosekunden Dauer. Besonders die Elektronikindustrie wird von den Ergebnissen profitieren können.
Charles Harris, Wissenschaftler an der Abteilung für Chemie des Lawrence Berkeley National Laboratory und Professor an der University of California in Berkeley, leitete das Experiment, in dem die Dynamik von Elektronen beobachtet wurde, während diese die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen überschritten (Science, Ausgabe vom 9. Januar 1998).

Harris sagt hierzu: "Unsere Erkenntnisse über ein Modell der Grenzfläche tragen zum allgemeinen Bild über das Verhalten von Elektronen in Festkörpern bei und können zu einem besseren Verständnis der Dynamik von Ladungsträgern in vielen verschiedenen Systemen führen, einschließlich organischer Leuchtdioden."

Die Leistung von Computern und anderen elektronischen Geräten hängt davon ab, wie leicht sich Elektronen über die Grenzschicht zwischen einem Leiter und dem Halbleiter Silicium vor und zurück bewegen können. An diesen Grenzflächen gibt es einen abrupten Wechsel der Atomarten sowie in der Art und Weise, in der Atome einander binden, um einen Kristall ausbilden zu können. Dieser Wechsel beeinflußt das Verhalten der Elektronen, und dieses wiederum bestimmt nicht nur die Leistung elektronischer Geräte, sondern auch die chemische Reaktionsfähigkeit, die magnetischen und weitere Eigenschaften. Daher wird das Verständnis der Dynamik, die hinter der Elektronenbewegung über Grenzflächen hinweg steckt, als entscheidend für zukünftige technische Fortschritte angesehen.

Harris und die Mitglieder seiner Forschungsgruppe haben vielleicht den Weg für zukünftige Studien aufgezeigt, indem sie demonstrierten, wie bis dato unmögliche Beobachtungen des Elektronenverhaltens an den kritischen Grenzbereichen durchführbar sind. Sie verwandten die Kombination eines Femtosekundenlasers mit einer Spektroskopietechnik, die hochaufgelöste Zeit- und Winkelmessungen gestattet und als two-photon photoemission (TPPE) bezeichnet wird. Mit dieser Kombination konnten die Forscher das dynamische Verhalten von Elektronen an den Grenzflächen eines Metalls studieren, das mit einer einzigen Schicht nichtmetallischer Moleküle bedeckt war und sich in einem Vakuum befand.

Ein Versuch beginnt mit mit einem Laserblitz von nur 30 Femtosekunden Länge, dessen Wellenlänge frei gewählt werden kann. Das Licht regt ein Elektron im Metall an, wodurch dieses in den Übergangsbereich zum Nichtmetall emittiert wird. Ein zweiter Lichtblitz stößt das Photoelektron dann aus der Probe in das Vakuum. Harris und sein Team zeichneten die Spektren der Elektronen zu unterschiedlichen Zeiten nach jedem Laserimpuls auf und vermaßen die Austrittswinkel. Dadurch konnten sie den Weg der Teilchen verfolgen und feststellen, in welchem Maße es "delokalisiert" (frei beweglich) oder aber bei seinen Bewegungen "lokalisiert" (eingeschränkt) war.

In der letzten Reihe von Experimenten überzogen die Wissenschaftler eine Silberoberfläche mit einer Schicht aus Alkanen. Nachdem das Silber mit dem ersten Blitz bestrahlt wurde, beobachteten die Forscher durch den zweiten Lichtpuls, daß die Elektronen anfänglich delokalisiert waren. Die Elektronen bewegten sich frei in einer Ebene der Alkanschicht, die in einem festen Abstand parallel zur Oberfläche der Silberatome verlief. Doch innerhalb einiger hundert Femtosekunden wurden diese Elektronen im Alkanüberzug als Polaronen ortsfest. Ein Polaron ist die Kombination aus einem Elektron und einer von ihm verursachten Störung im Kristallgitter, die eine Energiemulde schafft, in welche das Elektron hineinfällt, wodurch es sehr viel unbeweglicher wird. Nach mehr als 1000 Femtosekunden kann das gefangene Elektron schließlich seiner selbstgeschaffenen Falle entfliehen, indem es quantenmechanisch wieder zurück ins Metall tunnelt.

"Die Fähigkeit, die Elektronendynamik an den Grenzflächen sowohl nach der Zeit als auch nach dem Winkel zu analysieren, gestattet eine quantitative Bestimmung der Relaxationsenergien und der Gitterverschiebung, die mit der Bildung der Polaronen verbunden sind", erläutert Harris. "Die TPPE ... ist eine mächtige Meßmethode für die zweidimensionale Lokalisation von Elektronen und müßte für eine Vielzahl von Grenzflächen anwendbar sein."

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