Die helle Seite der Macht. Mit Laserlicht vom Halbleiter zum Metall
Vom Smartphone bis zum Computerprozessor – ein Gro?teil der Technik, die wir heute nutzen, ist mit Transistoren ausgestattet. Weil diese für jede Art der Datenverarbeitung unerl?sslich sind, versuchen Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen seit langem, sie durch Ver?nderung ihrer Materialien zu optimieren; nicht zuletzt, um sie flexibler einsetzen zu k?nnen. Nun hat ein Forscherteam des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Humboldt-Universit?t zu Berlin einen neuen Weg zu diesem Ziel gefunden.
Transistoren bestehen oft aus Halbleitern, also aus Materialien, die Strom zwar leiten, aber nicht ganz so gut wie Metalle. In gew?hnlichen Transistoren werden mehrere Halbleiter kombiniert, um einen elektrischen Strom zu steuern. Diese Art der Bauweise beschr?nkt die Leistung und Gr??e des jeweiligen Ger?ts, in das sie eingebaut werden. "Im Grunde w?re es ideal, nur ein einziges Material zu haben, das alles kann. Und zwar wann immer man es braucht", sagt Prof. Julia St?hler von der Humboldt-Universit?t zu Berlin, die die Studie am Fritz-Haber-Institut geleitet hat.
Die Leitf?higkeit von Halbleitern l?sst sich durchaus mit einem chemischen Prozess, dem sogenannten ?Doping" (zu Deutsch ?Dotieren"), ver?ndern. Doch diese Technik, bei der Atome des Halbleiters durch andere Atome ersetzt werden, hat Grenzen. Die Eigenschaften eines Materials k?nnen zwar vor dem Einbau angepasst werden, bleiben dann aber dauerhaft erhalten, obwohl eigentlich ein Material n?tig w?re, das zwischen verschiedenen Eigenschaften umschalten kann. Die Gruppe von Julia St?hler hat eine L?sung für dieses Problem gefunden: Licht.
Die an dieser Studie beteiligten Wissenschaftler:innen haben den gern genutzten Halbleiter Zinkoxid untersucht und herausgefunden, dass man mit Laserlicht, also durch einfaches Beleuchten, die Halbleiteroberfl?che in ein Metall und wieder zurück verwandeln kann. Erreicht wird dieses ?Licht-Doping' durch optische Anregung: Das Licht ver?ndert die elektronischen Eigenschaften so, dass sich Elektronen pl?tzlich frei bewegen und elektrischer Strom ganz wie in einem Metall flie?t. Schaltet man das Licht wieder aus, wird das Material auch schnell wieder zum Halbleiter. "Dieser Mechanismus ist eine v?llig neue und überraschende Entdeckung", sagt Lukas Gierster, Erstautor und Doktorand in St?hlers Gruppe. "Drei Dinge haben uns besonders überrascht: Erstens, dass sich chemisches und Licht-Doping so ?hnlich sind, obwohl es sich um grundlegend unterschiedliche Mechanismen handelt; zweitens, dass mit sehr geringer Laserleistung gigantische Ver?nderungen erreicht werden k?nnen; und drittens, dass das An- und Ausschalten des Metalls so schnell passiert." Die Umwandlung zum Metall dauert nur 20 Femtosekunden, also 20 Millionstel einer Milliardstelsekunde. Die Geschwindigkeit der Zurückverwandlung in einen Halbleiter andererseits war besonders erstaunlich, da sie um Gr??enordnungen schneller war als in früheren Arbeiten. Mit anderen Worten: Zinkoxid ist ein ultraschneller Schalter, der die ?Macht' hat ?alles zu k?nnen".
Durch h?here Schaltgeschwindigkeiten und vereinfachtes Design k?nnte diese Entdeckung für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik und durch ultraschnelle optisch gesteuerte Transistoren von gro?em Nutzen sein. "Unsere Ger?te k?nnten schneller werden – und damit schlauer", sagt Julia St?hler und fügt hinzu: "Das leichte und ultraschnelle Schalten von Leitungseigenschaften erm?glicht n?mlich hohe Geschwindigkeiten und neuartiges Design." Sie und ihre Gruppe sind überzeugt, dass dies auch mit anderen Halbleitern funktionieren sollte und ihre Entdeckung so wahrscheinlich weit über Zinkoxid hinaus reichen wird.
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Prof. Dr. Julia St?hler
Institut für Chemie
Humboldt-Universit?t zu Berlin