Sie gehören zu den am meisten erforschten Materialien in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und sind unter anderem in Tintenstrahldruckern oder in Transistoren zu finden: Sogenannte Ferroelektrika sind permanent elektrisch ausgerichtet, auch ohne äußeres elektrisches Feld. Kommt ein elektrisches Signal von außen hinzu, verändert sich die Kristallstruktur des Materials auf atomarer Ebene - und damit seine elektrische Ausrichtung.
Im Rahmen seiner Doktorarbeit untersuchte Materialwissenschaftler Simon Fichtner Aluminium-Scandium-Nitrid (AIScN), dass er im Reinraum des Nanolabors der CAU selbst hergestellt hatte. Dabei machte er eine unerwartete Beobachtung: Durch Anlegen großer elektrischer Felder ließ sich die Kristallstruktur des Materials um 180 Grad drehen. Damit hatte Fichtner einen ersten Hinweis auf Ferroelektrizität gefunden, den er durch weiterführende Experimente bestätigen konnte. In der Wissenschaft war diese Eigenschaft von AIScN bisher nicht bekannt.
"Wir wollten das Material eigentlich für besonders leistungsfähige Chip-Antriebe nutzen, zum Beispiel für Lautsprecher. Deshalb haben wir getestet, wieviel Spannung es verträgt", erklärt der Materialwissenschaftler. "Wir hatten erwartet, dass es dabei irgendwann kaputtgeht. Stattdessen änderte es an einem bestimmten Punkt seine elektrische Polarisation ins Negative", ergänzt sein Doktorvater Bernhard Wagner, Professor für Materialien und Prozesse der Nanosystemtechnik an der CAU und zugleich stellvertretender Leiter des ISIT.
Diese besondere Eigenschaft erhöht das technologische Potential des AIScN-Materials enorm, sind die beiden Wissenschaftler überzeugt. Im Vergleich zu anderen ferroelektrischen Materialien zeichnet sich AlScN außerdem durch eine deutlich verbesserte Stabilität und Leistungsfähigkeit aus. Gleichzeitig ist es technisch besonders gut kompatibel mit zentralen Technologien der Halbleiterindustrie.
Ihre überraschende Entdeckung veröffentlichten die Wissenschaftler in diesem Jahr im Fachmagazin "Journal of Applied Physics". In einem gemeinsamen BMBF-Projekt mit den Fraunhofer-Instituten ISIT und IAF gehen sie jetzt noch einen Schritt weiter: Das ungewöhnliche Verhalten des Materials wollen sie genauer untersuchen und herausfinden, welche neuen technischen Anwendungen es ermöglicht.
Auf dieser Grundlage erforscht das ISIT die Einsatzmöglichkeiten von AIScN für Aktuatoren, während das IAF damit bessere Leistungstransistoren herstellen will. In engem Austausch mit beiden Fraunhofer-Instituten entwickelt die CAU-Forschungsgruppe das Material maßgeschneidert für verschiedene technische Anwendungen weiter. Denkbar ist auch der Einsatz in der Optoelektronik oder der Medizintechnik. Dafür arbeiten Wagner und Fichtner auch mit anderen Arbeitsgruppen aus den Bereichen Nanoelektronik (Professor Hermann Kohlstedt) und Transmissionselektronenmikroskopie (Professor Lorenz Kienle) der CAU zusammen.
"Wir konnten hier das erste Ferroelektrikum herstellen, das auf einem sogenannten III-V-Halbleiter basiert. Mit diesem Material lassen sich technisch bahnbrechende neue Bereiche erschließen, die mit den etablierten Ferroelektrika bisher nicht zugänglich waren - das könnte einen regelrechten Innovationsschub in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik auslösen", beschreibt Wagner das Potential der Entdeckung.
COMPAMED.de; Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
