Oberflächlich leitend

News: Oberflächlich leitend

In vielen Materialien lassen sich elektrische Ladungen trennen - zwei Pole entstehen. Bei bestimmten Stoffen ist diese Änderung permanent. Die Natur dieser Stoffe ist in der Festkörperphysik noch nicht lückenlos verstanden. Jedenfalls besagen ältere Vermutungen, dass die Oberfläche dieser Materialien elektrisch leitfähig sein sollte - selbst dann, wenn es sich ansonsten um einen Isolator handelt. Ein japanisches Team konnte nun die Leitfähigkeit der Oberfläche nachweisen. Allerdings gilt es noch ein paar Ungereimtheiten zu lösen.

Ferroelektrika sind das elektrische Gegenstück zu herkömmlichen (Ferro-)Magneten. Sie können zwei verschiedene elektrische Pole ausbilden, Plus- und Minuspol, ähnlich wie der Magnet Nord- und Südpol hat. Soweit ist das nichts Besonderes, da sich bei vielen Materialien die Ladung trennen lässt, beispielsweise durch Induktion. Bei Ferroelektrika ist diese Ladungstrennung allerdings permanent, denn sie beruht auf einer Deformation des Kristallgitters. Das Material lässt sich durch Erhitzen, Abkühlen, Verformen oder durch ein äußeres Feld elektrisch ausrichten – 'polarisieren'. Die beiden entgegengesetzt geladenen Regionen bleiben auch dann erhalten, wenn sich die äußeren Bedingungen wieder ändern, also zum Beispiel das Feld abgeschaltet wird.

Wissenschaftler gingen bisher davon aus, dass die angehäufte Ladung an den Polen mobile Ladungsträger wie Elektronen und Löcher im Material anzieht und es dort leitfähig macht. Experimente in der Vergangenheit konnten dies jedoch nicht bestätigen.

Ist die Vermutung also falsch? Offenbar nicht, denn Yukio Watanabe und seine Kollegen vom Kyushu Institute of Technology in Japan konnten nun tatsächlich nachweisen, dass polarisierte Ferroelektrika elektrisch leiten (Physical Review Letters vom 8. Januar 2001, Abstract).

Dazu stellten die Wissenschaftler Barium-Titan-Oxid-Kristalle mit sehr reiner Oberfläche her und maßen die Leitfähigkeit im Hochvakuum. So verhinderten Sie, dass geringste Verunreinigungen der Kristalloberfläche den Widerstand der Probe beeinflussten. Die Forscher verbanden den oberen Pol des Ferroelektrikum mit zwei Elektroden und erfassten den Strom in Abhängigkeit der angelegten Spannung. Und siehe da, die Leitfähigkeit war zehnmal größer, wenn der Kristall polarisiert war. Mit einer dritten Elektrode am unteren Ende des Kristalls stellte Watanabes Team fest, dass kaum Strom durch den Körper floss, also ein Isolator vorliegt.

Also ist die Vermutung bestätigt? Nicht ganz, gibt Arkadi Levanyuk von Hewlett Packard in Palo Alto zu bedenken: Die Strom-Spannungs-Kurven änderten sich kaum, wenn die Physiker den Kristall über die so genannte Curie-Temperatur von 130 Grad Celsius hinaus erhitzten. Oberhalb dieser Temperatur verliert das Material jedoch seine ferroelektrische Eigenschaft, also sollte auch die Leitfähigkeit der Oberfläche verschwinden. Das ist aber nicht der Fall.

Das Phänomen Ferroelektrizität wird die Physiker also auch noch in Zukunft beschäftigen. Das neue Experiment gibt jedenfalls einen besseren Einblick in das Verhalten ferroelektrischer Oberflächen, wenn es auch nicht alles erklärt.

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