News: Lieber hüpfen als rutschen
Es ist alles andere als trivial, Schaltkreise für Nanometer große Bauteile zu konstruieren. Denn oftmals zeigen Materialen auf atomarer Ebene völlig überraschende Eigenschaften: wie zum Beispiel Aluminium.
© Ju Li, Ohio State University (Ausschnitt)
Was passiert mit einem nur Nanometer großen Schaltkreis, wenn Strom hindurchfließt? Das leitende Metall erwärmt sich infolge des Stromflusses, dehnt sich aus und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen. Dabei gleiten nur einige wenige Atomlagen im Metall unter Druck übereinander. Und diesem muss der Werkstoff, ohne zu zerreißen, standhalten. Auf makroskopischer Ebene wird für Schaltkreise Kupfer verwendet. Doch ist dieses Metall auch für die Nanowelt die erste Wahl?
Dieser Frage gingen Shigenobu Ogata und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge nach. Dazu simulierten sie jeweils einige Atomlagen Kupfer und Aluminium und ließen sie übereinander gleiten. Dann erhöhten sie langsam den Druck auf die Schichten und untersuchten ihr Verhalten – vor allem ihre Stabilität – unter diesen Bedingungen.
Bei diesem "Wettbewerb" zwischen den beiden Metalle hatte zunächst Kupfer wie erwartet die Nase vorn, doch als die Wissenschaftler die Spannung noch mehr erhöhten, erwies sich Aluminium auf einmal als verformbarer. Am Ende hielt das Leichtmetall, das als Außenseiter gestartet war, einer dreißigfach höheren Belastung stand als Kupfer. Ist also Aluminium besser für Nano-Schaltkreise geeignet?
"Das sind ziemlich erstaunliche Schlussfolgerungen", meint Ju Li vom MIT. Doch es kam noch besser: Als die Forscher das Verhalten der Schichten näher untersuchten, beobachteten sie ein bizarres Phänomen: Während die Kupferatome in den Lagen leichtgängig und gleichmäßig übereinander rutschten, neigten die Aluminiumatome dazu, übereinander zu hüpfen anstatt zu gleiten.
Die Ursache dafür liegt wohl im Bindungsverhalten der Atome untereinander. Während sich die Atome beim Kupfer gleichmäßig wie Kugeln in einer klebrigen Flüssigkeit – dem Elektronengas – verteilen, bilden sie in Aluminium eher eine Leiter. Die Elektronen, welche die Atome verbinden, dienen dabei als Sprossen. Dieses als directional bonding bezeichnete Verhalten war bisher eigentlich nur von keramischen Stoffen bekannt. "Das könnte bedeuten, dass Aluminium unter bestimmten Bedingungen viel stärker keramische Eigenschaften zeigt als bisher angenommen ", kommentiert Li das Forschungsergebnis.
Die Wissenschaftler vermuten jetzt, dass genau diese keramischen Eigenschaften paradoxerweise dem Leichtmetall seine überraschende Verformbarkeit verleihen. Andererseits, wenn die keramischen Bindungen dem hohen Druck dann doch nachgeben, bricht die Bindung der Atome komplett zusammen. Während sich die Bindungen in Kupfer mit nachlassendem Druck einigermaßen erholen, scheint das für die Aluminiumatome nicht der Fall zu sein.
Dieses Ergebnis deckt sich mit früheren Beobachtungen, nach denen es ungemein schwer ist, Fehler in der Struktur des Aluminiums zu beheben – ein Verhalten, das bisher rätselhaft war.
Dieser Frage gingen Shigenobu Ogata und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge nach. Dazu simulierten sie jeweils einige Atomlagen Kupfer und Aluminium und ließen sie übereinander gleiten. Dann erhöhten sie langsam den Druck auf die Schichten und untersuchten ihr Verhalten – vor allem ihre Stabilität – unter diesen Bedingungen.
Bei diesem "Wettbewerb" zwischen den beiden Metalle hatte zunächst Kupfer wie erwartet die Nase vorn, doch als die Wissenschaftler die Spannung noch mehr erhöhten, erwies sich Aluminium auf einmal als verformbarer. Am Ende hielt das Leichtmetall, das als Außenseiter gestartet war, einer dreißigfach höheren Belastung stand als Kupfer. Ist also Aluminium besser für Nano-Schaltkreise geeignet?
"Das sind ziemlich erstaunliche Schlussfolgerungen", meint Ju Li vom MIT. Doch es kam noch besser: Als die Forscher das Verhalten der Schichten näher untersuchten, beobachteten sie ein bizarres Phänomen: Während die Kupferatome in den Lagen leichtgängig und gleichmäßig übereinander rutschten, neigten die Aluminiumatome dazu, übereinander zu hüpfen anstatt zu gleiten.
Die Ursache dafür liegt wohl im Bindungsverhalten der Atome untereinander. Während sich die Atome beim Kupfer gleichmäßig wie Kugeln in einer klebrigen Flüssigkeit – dem Elektronengas – verteilen, bilden sie in Aluminium eher eine Leiter. Die Elektronen, welche die Atome verbinden, dienen dabei als Sprossen. Dieses als directional bonding bezeichnete Verhalten war bisher eigentlich nur von keramischen Stoffen bekannt. "Das könnte bedeuten, dass Aluminium unter bestimmten Bedingungen viel stärker keramische Eigenschaften zeigt als bisher angenommen ", kommentiert Li das Forschungsergebnis.
Die Wissenschaftler vermuten jetzt, dass genau diese keramischen Eigenschaften paradoxerweise dem Leichtmetall seine überraschende Verformbarkeit verleihen. Andererseits, wenn die keramischen Bindungen dem hohen Druck dann doch nachgeben, bricht die Bindung der Atome komplett zusammen. Während sich die Bindungen in Kupfer mit nachlassendem Druck einigermaßen erholen, scheint das für die Aluminiumatome nicht der Fall zu sein.
Dieses Ergebnis deckt sich mit früheren Beobachtungen, nach denen es ungemein schwer ist, Fehler in der Struktur des Aluminiums zu beheben – ein Verhalten, das bisher rätselhaft war.
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