'Onmogelijke' stroomgeleiding opgehelderd

Doorbraak kan leiden tot nieuwe wegen in nano-elektronica

14 mei 2010

Breng twee materialen die zelf geen stroom geleiden, met elkaar in contact en precies op het grensvlak gebeurt iets opmerkelijks: daar is wél geleiding mogelijk. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT, samen met collega’s in München, Berkeley en Davis, laten nu zien dat ter plekke zelfs twee parallelle geleidende ‘paden’ ontstaan, slechts één nanometer van elkaar gescheiden. Dat is niet alleen een doorbraak in het begrijpen van het fenomeen, het opent ook de weg naar nieuwe vormen van nano-elektronica. De onderzoekers presenteren hun bevindingen in Physical Review Letters.

Eerder al lieten de UT-onderzoekers zien dat twee niet-geleidende metaaloxiden geleidend kunnen worden, precies waar ze met elkaar in contact komen. En dat niet-magnetische metaaloxiden op het grensvlak 'opeens' magnetisch worden. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om de combinatie van strontiumtitaanoxide en lanthaanaluminiumoxide. Komen deze complexe oxiden met elkaar in contact, dan zijn aan de beide kristaloppervlakken verschillende ionen aanwezig die elk hun eigen lading hebben. Als de beide oxiden met elkaar in contact komen, vindt een herschikking plaats van lading, ook wel elektronische reconstructie genoemd.

Op de plaats waar meer elektronen terechtkomen kan nu elektrische geleiding plaatsvinden door deze elektronen. Tegelijkertijd zou je verwachten dat er elders in de structuur gaten ontstaan - positieve ladingdragers - waar de oorspronkelijke elektronen zaten. De nieuwe berekeningen en experimenten wijzen nu uit dat die gaten inderdaad bestaan en dat de gaten en elektronen parallel aan elkaar gaan bewegen, met slechts één nanometer tussenruimte. Dit is niet alleen een doorbraak in het begrip van de geleiding op het grensvlak, het opent ook de weg naar nieuwe toepassingen die in de huidige halfgeleiderelektronica nog niet mogelijk zijn. Spannend is bijvoorbeeld of in deze geleidende lagen, zo dicht bij elkaar, ook weer interactie gaat optreden, met nieuwe deeltjes en quantumtoestanden als resultaat.

In een gestapelde atoomstruktuur van lanthaanoxide, afgedekt met strontiumtitaanoxide, op een substraat van strontiumtitaanoxide (kristalstructuur van links naar rechts, bovenzijde plaatje), geeft de interne potentiaal in de LAO laag aanleiding tot een herverdeling van lading. De resulterende elektronen aan het interface laten gaten achter op slechts 1 nm afstand. De elektronen (links) en gaten (rechts) leveren parallel een bijdrage aan de elektrische geleiding.

Tot nu toe werd bovendien aangenomen dat oxiden met een zekere dikte nodig zijn om het effect te bereiken. Uit het nu gepresenteerde onderzoek blijkt dat het mechanisme al optreedt bij een dikte van één eenheidscel: één laag in het kristal. Het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie beschikt over unieke mogelijkheden om dit type oxiden atoomlaag-voor-atoomlaag op te bouwen, om op deze manier materialen te kunnen maken met zeer uiteenlopende eigenschappen.

De resultaten zijn tot stand gekomen in een groot internationaal onderzoekteam. Hierbij zijn, naast München, Davis en Berkeley, vier MESA+ leerstoelen (Inorganic Materials Science, NanoElectronic Materials, Physical Aspects of Nanoelectronics and Interfaces and Correlated Electron Systems) betrokken. Het onderzoek is vanuit Nederland gefinancierd door FOM, NWO, VIDI and VICI grants en NANONED.

Het artikel 'Parallel Electron-Hole Bilayer Conductivity from Electronic Interface Reconstruction', door R. Pentcheva (München), M. Huijben (MESA+), K. Otte (München), W. E. Pickett (Davis), J. E. Kleibeuker (MESA+), J. Huijben (MESA+), H. Boschker (MESA+), D. Kockmann (MESA+), W. Siemons (Berkeley), G. Koster (MESA+), H. J. W. Zandvliet (MESA+), G. Rijnders (MESA+), D. H. A. Blank (MESA+), H. Hilgenkamp (MESA+) en A. Brinkman (MESA+) staat al online op de site van Physical Review Letters en verschijnt binnenkort in print. Het artikel kan op verzoek toegestuurd worden.

Contactpersoon voor de pers: Wiebe van der Veen, tel (053)4894244 of 0612185692