18/02/2015 - Sie messen eine Rekordänderung der Leitfähigkeit, indem sie einen Halbleiter unter Druck setzen.

Menéame

Forscher ICN2 bei Raumtemperatur die höchsten Piezoresisitätswerte gemessen haben, die jemals in einem Elektrokeramikmaterial gemessen wurden, wobei auch die Aufzeichnungen über Referenzmaterialien wie Siliziumnanohilen oder Grafen überschritten wurden. Außerdem haben sie die Maßnahme mit einer einfachen Technik durchgeführt, die die Notwendigkeit großer Druckkontrolleinrichtungen verhindert. Die Untersuchung wurde von der Gruppe für Nanoelektronik unter Leitung von Prof. ICREA Gustau Catalan. Dr. Neus Domingo ist die erste Unterzeichnerin des in Nanoscale veröffentlichten Artikels und hatte eine Schlüsselrolle bei der Untersuchung.

La Piezoresisität Es handelt sich um ein Phänomen, das darin besteht, daß bestimmte Materialien ihre elektrische Leitfähigkeit verändern, wenn sie durch einen Druck verformt werden. Das liegt daran, dass Isolier- und Halbleiter besonders spezielle elektrische Eigenschaften aufweisen, die Bands mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen: das Valenzband, in dem die Elektronen "geparkt" sind, und das Fahrband, durch das der elektrische Strom fließt. Diese Bänder sind durch eine Energiebarriere getrennt; je niedriger diese Barriere ist, desto größer ist die Anzahl der Elektronen im Fahrband und somit die elektrische Leitfähigkeit.

Durch die Anwendung eines Drucks auf bestimmte Halbleitermaterialien wird die Höhe der Barriere, die das Valenciaband vom Fahrband trennt, verändert, indem der Elektronensprung in das Fahrband erleichtert und damit der elektrische Widerstand des Materials verringert wird. Mit anderen Worten, wenn wir das Material drücken, führt es die Elektrizität besser. Das hat eine Vielzahl von möglichen Anwendungen, von Drucksensoren bis hin zu mikroelektronischen Transistoren, bei denen der Strom durch Druck statt durch Spannung geregelt wird.

Eine nanoskopische Spitze zum Studium großer Druck

In den Labors des ICN2 hat die Prof. Catalan hat eine enorme Piezoresissität in einem keramischen Material gemessen, dem Iridat von Phenylalanin (Sr2IrO4). Die Messungen wurden mit einem Atomkraftmikroskop (AFM) durchgeführt, einem Gerät, das nanoskopisch scharfe Nadeln verwendet, die das Material zusammendrücken und gleichzeitig seine Leitfähigkeit messen können. Es ist in der Tat eine neue und phantasievolle Art und Weise, diese Ausrüstung zu verwenden, da es das erste Mal ist, dass die Spitze des AFM Mikroskops verwendet wird, um die Piezoresisität eines Materials zu messen.

Die Spitze des AFM ist so klein, dass eine kleine Kraft zu sehr hohen Druckwerten führt. Weniger als 1 mg Stärke (entsprechend dem Gewicht einer Ameise), die auf eine nanoskopische Spitze aufgebracht wird, wird in Druck von 100 Tonnen (Gewicht von 20 Elefanten) pro Quadratzentimeter ausgedrückt. Tatsächlich sind die Drucke so hoch (bis zu 10GPa), dass, um zu verhindern, dass die Mikroskopspitzen zerquetscht werden, Diamantspitzen verwendet werden.

Mit diesem Druck konnten die Forscher erreichen, dass Sr2IrO4 250-mal mehr Strom leitet. Bemerkenswert ist auch, dass die Probe trotz wiederholter Verformung (mehr als 500-mal) nicht beschädigt wurde. Zudem wurde diese Piezoresistivität bei Raumtemperatur gemessen. All dies macht den Halbleiter zu einem guten Kandidaten für künftige Anwendungen in Sensoren, neuen Transistortypen und anderen speziellen elektronischen Geräten. Leider kommt Iridium auf unserem Planeten nur sehr selten vor, und die Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien.

Die Proben für diese Forschung wurden in der University of California (USA) hergestellt und die Studie wurde am ICN2 in Zusammenarbeit mit dem Institut für Materialwissenschaft in Barcelona (ICMAB) durchgeführt. Die Finanzierung für dieses Projekt wurde hauptsächlich vom European Research Council (ERC) Consolidator Grant und einem Projekt des Nationalen Forschungsexzellenzplans Prof. Katalanisch.

Bezugnahme auf den Artikel:

Domingo, N., López-Mir, L., Paradinas, M., Holy, V., Železný, J., Yi, D., Suresha, S.J., Liu, J., Rayan Serrao, C., Ramesh, R., Ocal, C., Martí, X., and Catalan, G. (2015). Giant reversible nanoscale piezoresistance at room temperature in Sr2IrO4 thin films. Nanoscale, 2015; 7: 3453-3459. DOI: 10.1039/C4NR06954D

Weitere Informationen:

Abstract

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ICN2

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