Leitend geblitzt

News: Leitend geblitzt

Transparente elektrische Leiter sind rar und schwierig zu handhaben. Nun fanden Forscher einen Isolator, aus dem sich mit einem einzigen Lichtblitz ein leitfähiges Material zaubern lässt.

Thorsten Krome

Denkt man an elektrisch leitfähige Materialien, dann fallen einem zunächst die Metalle ein. Sie sind ausgezeichnete Leiter, haben jedoch einen großen Nachteil: Sie sind undurchsichtig.

Überhaupt scheinen sich Transparenz und Leitfähigkeit zu meiden wie der Teufel das Weihwasser. Kohlenstoff zum Beispiel transportiert in Form von Graphit außerordentlich gut die Ladungen, während die durchsichtige Modifikation Diamant ein Isolator ist. Nur wenige Materialien, wie etwa Indium-Zinn-Oxid (ITO), kombinieren die beiden Eigenschaften und sind deshalb für Flüssigkristallanzeigen (LCD) geeignet, wobei ihre Verarbeitung in der Regel recht aufwendig ist: ITO wird beispielsweise zunächst auf einem Glasträger großflächig aufgedampft und erst anschließend durch Ätzen strukturiert.

In Zukunft lässt sich die Herstellung solcher LC-Displays aber vielleicht deutlich vereinfachen, denn Forscher der Japan Science and Technology Corporation in Tokio fanden nun ein Material, das ohne den lästigen Ätzvorgang auskommt. So beschäftigte sich das Team um Katsuro Hayasji mit einer Verbindung aus Calcium- und Aluminiumoxid: dem 12CaO·7Al₂O₃ oder kurz C12A7.

Wie viele andere keramische Oxide, ist auch diese Verbindung transparent und zunächst einmal nicht leitend. Das Kristallgitter von C12A7 bietet jedoch recht viel Platz, da sich die Atome um kleine, positiv geladene Hohlräume arrangieren. Diese Hohlräume lassen sich mit Hydrid-Ionen (H^-) füllen, wenn das Material in Gegenwart von Wasserstoff erhitzt wird. Nach dem Abkühlen ist C12A7 immer noch transparent, und auch Strom will es kaum leiten. Doch als das Forscherteam das Material kurz mit UV-Licht beschien, schoss die elektrische Leitfähigkeit um das Milliardenfache in die Höhe, und C12A7 blieb auch leitend, als das Licht wieder verloschen war.

Um der Ursache der plötzlichen Leitfähigkeit auf den Grund zu gehen, maßen Hayasji und Co die elektrischen Eigenschaften der Verbindung, während sie sie erhitzten und abkühlten. Die Forscher fanden heraus, dass die Leitfähigkeit oberhalb einer Temperatur von 320 Grad Celsius stark abnahm, aber nach dem Abkühlen wieder den alten hohen Wert erreichte. Stieg die Temperatur jedoch über 550 Grad Celsius, dann entließ das Material den gespeicherten Wasserstoff, und die gute Leitfähigkeit war verloren – da half auch kein erneutes Bescheinen mit UV-Licht mehr.

Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass C12A7 seine elektrischen Eigenschaften den Hydrid-Ionen verdankt, deren zusätzliches Elektron durch das UV-Licht freigesetzt und vom positiv geladenen Käfig des Kristallgitters angezogen wird. Die Anziehung der Kavitäten ist jedoch so schwach, dass sich die Elektronen mühelos von einem Käfig zum nächsten bewegen können und das Material so seine gute Leitfähigkeit erlangt.

Aus C12A7 lassen sich also recht einfach und schnell komplexe Schaltkreise schaffen, indem das Material einfach durch eine entsprechende Maske mit UV-Licht belichtet wird. Gerade die Optoelektronik könnte hiervon profitieren. So vermuten Hayasji und seine Kollegen, dass sich aus C12A7 ein hochdichter optischer Speicher herstellen lässt – oder eben LC-Displays.