Die helle Seite der Macht

Durch Laserlicht erhält ein Halbleiter vorübergehend metallische Eigenschaften

12. Februar 2021

Elektronik erscheint jetzt in neuem Licht. Denn Forscherinnen und Forschern des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Humboldt-Universität zu Berlin haben herausgefunden, dass sich Halbleiter leichter und schneller als bisher angenommen in Metalle und zurück verwandeln lassen. Ein solcher optoelektronischer Schalter könnte die Rechenleistung vieler technischer Geräte erhöhen und ihr Design vereinfachen.

Vom Smartphone bis zum Computerprozessor – ein Großteil der Technik, die wir heute nutzen, ist mit Transistoren ausgestattet. Sie verbinden die vielen verschiedenen Materialien, aus denen diese Technik gefertigt ist, und sind für jede Art der Datenverarbeitung unerlässlich. Weil Transistoren so wichtig sind, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit langem, sie durch Veränderung ihrer Materialien zu optimieren; nicht zuletzt, um sie flexibler einsetzen zu können. Nun hat ein Forscherteam des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Humboldt-Universität zu Berlin einen neuen Weg zu diesem Ziel gefunden.

Ultrakurze Lichtblitze verwandeln einen Halbleiter in ein Metall – in nur 0,00000000000002 Sekunden. Bild vergrößern
Ultrakurze Lichtblitze verwandeln einen Halbleiter in ein Metall – in nur 0,00000000000002 Sekunden.

Heutige Transistoren bestehen meist aus Halbleitern, also aus Materialien, die Strom zwar leiten, aber nicht so gut wie Metalle. In gewöhnlichen Transistoren werden mehrere Halbleiter kombiniert, um einen elektrischen Strom zu steuern. Diese Art der Bauweise beschränkt die Leistung und Größe des jeweiligen Geräts, in das sie eingebaut werden. „Im Grunde wäre es ideal, nur ein einziges Material zu haben, das alles kann. Und zwar wann immer man es braucht", sagt Julia Stähler, Gruppenleiterin am Fritz-Haber-Institut und Professorin an der Humboldt-Universität zu Berlin, die die Studie am Fritz-Haber-Institut geleitet hat. Die Leitfähigkeit von Halbleitern lässt sich zwar durch Zusätze anderer Elemente, das sogenannte Doping (zu Deutsch „Dotieren“), verändern. Doch diese Technik, bei der Atome des Halbleiters durch andere Atome ersetzt werden, hat Grenzen. Die Eigenschaften eines Materials können zwar vor dem Einbau angepasst werden, bleiben dann aber dauerhaft erhalten, obwohl eigentlich ein Material nötig wäre, das sich zwischen verschiedenen Eigenschaften umschalten lässt. Die Gruppe von Julia Stähler hat eine Lösung für dieses Problem gefunden: Licht.

Die an dieser Studie beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben den gern genutzten Halbleiter Zinkoxid untersucht und herausgefunden, dass sie die Halbleiteroberfläche mit Laserlicht in ein Metall und wieder zurück verwandeln können. Dieses ‚Licht-Doping‘ erreichen sie durch optische Anregung: Das Licht verändert die elektronischen Eigenschaften so, dass sich Elektronen plötzlich frei bewegen und elektrischer Strom ganz wie in einem Metall fließt. Schaltet man das Licht wieder aus, wird das Material auch schnell wieder zum Halbleiter. „Dieser Mechanismus ist eine völlig neue und überraschende Entdeckung", sagt Lukas Gierster, Erstautor und Doktorand in Stählers Gruppe. „Drei Dinge haben uns besonders überrascht: Erstens, dass sich chemisches und Licht-Doping so ähnlich sind, obwohl es sich um grundlegend unterschiedliche Mechanismen handelt. Zweitens, dass mit sehr geringer Laserleistung gigantische Veränderungen erreicht werden können. Und drittens, dass das An- und Ausschalten des Metalls so schnell passiert." Die Umwandlung zum Metall dauert nur 20 Femtosekunden, also 20 Millionstel einer Milliardstelsekunde. Die Geschwindigkeit der Zurückverwandlung in einen Halbleiter andererseits war besonders erstaunlich, da sie um Größenordnungen schneller war als in früheren Arbeiten. Mit anderen Worten: Das Licht wirkt auf das Zinkoxid wie ein ultraschneller optoelektronischer Schalter mit der Macht, dem Mterial verschiedene für die Elektronik relevante Eigenschaften zu geben.

Durch höhere Schaltgeschwindigkeiten und vereinfachtes Design könnte diese Entdeckung für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik und durch ultraschnelle optisch gesteuerte Transistoren von großem Nutzen sein. „Unsere Geräte könnten schneller werden – und damit schlauer", sagt Julia Stähler. „Das leichte und ultraschnelle Schalten von Leitungseigenschaften ermöglicht nämlich hohe Geschwindigkeiten und neuartiges Design." Sie und ihre Gruppe sind überzeugt, dass dies auch mit anderen Halbleitern funktionieren sollte und ihre Entdeckung so wahrscheinlich weit über Zinkoxid von Bedeutung ist.

AF/PH

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