Super-Silizium. Das ist der Titel des Kommentars, in dem der Chemiker Robert Cava von der Universität Princeton den "Nature"-Artikel des französischen Forscherteams aus Grenoble bewertet. Das Urteil des US-Amerikaners ist eindeutig: Ein Durchbruch sei das, der den Wissenschaftlern vom staatlichen Forschungszentrum CNRS da gelungen ist. Doch Etienne Bustarret, der Hauptautor der Arbeit, bleibt bescheiden.
"Die einzige Supereigenschaft unseres kristallinen Siliziums ist, dass es supraleitend ist. Das heißt, wenn man es extrem abkühlt, leitet es elektrischen Strom ohne Widerstand."
Für die Grundlagenforschung ist das ein ziemlicher Knüller. Denn obwohl sich die elektrische Leitfähigkeit von Silizium in einem weiten Bereich variieren lässt, hat sich kristallines Silizium bislang allen Versuchen, seinen Widerstand vollständig zu brechen, widersetzt. Der Grund: Das Material sträubt sich gegen den Einbau großer Mengen von Fremdatomen. Diese so genannte Dotierung ist aber der Schlüssel zur Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiters. Weil reines Silizium kaum freie Ladungsträger hat, ist es bei Raumtemperatur ein elektrischer Isolator. Erst der Einbau von Fremdatomen wie Bor oder Phosphor, die anderen chemischen Gruppen angehören, erzeugt im Kristallgitter jene beweglichen Ladungsträger, die den Strom fließen lassen. Dabei zeigen schon erstaunlich kleine Mengen große Wirkung. 80 Boratome auf eine Million Siliziumatome genügen und schon leitet das dotierte Material Strom genauso gut wie echte Metalle, die von Natur aus mit reichlich freien Ladungsträgern gesegnet sind. Doch anders als die allermeisten Metalle, wird solch metallisches Silizium nicht supraleitend, wenn man es bis knapp über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Bustarret:
"”Die metallischen Eigenschaften sind eine notwendige Voraussetzung für den supraleitenden Zustand. Im speziellen Fall von Silizium reicht das aber nicht. Gegenüber metallischem Silizium mussten wir die Konzentration der freien Ladungsträger um mehr als einen Faktor zehntausend erhöhen, um das Material supraleitend zu machen.""
Erst nachdem die Forscher mehr als vier Prozent der Siliziumatome im Kristallgitter durch Bor ersetzt hatten, wurde der Widerstand unmessbar klein. Um diese extrem hohe Dotierung zu erreichen, mussten die Wissenschaftler eine ziemlich brachiale Methode einsetzen. Sie feuerten intensive ultraviolette Laserpulse auf die Probe. Bustarret:
"Durch den Laserbeschuss schmilzt das Silizium. Da wir auf seiner Oberfläche zuvor Boratome aufgebracht haben, mischen sich diese in das flüssige Silizium. Wenn die Flüssigkeit nach dem Laserblitz wieder abkühlt, erstarrt sie und bildet erneut ein Kristallgitter – nur dass sich jetzt Boratome an vielen Stellen befinden, wo zuvor Siliziumatome saßen."
Und die sorgen dafür, dass das so entstandene Super-Silizium bei Temperaturen von 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt zum perfekten Stromleiter mutiert. Für praktische Anwendungen sei das wegen des enormen Kühlaufwandes zwar kaum spannend, räumt Etienne Bustarret ein – wohl aber für die Grundlagenforschung. Bustarret:
"”Bei den supraleitenden elektronischen Bauelementen, die es heute schon gibt, ist das Hauptproblem immer die Schnittstelle zwischen den normal- und supraleitenden Bereichen dieser Bauteile. Denn dort müssen bislang zwei völlig verschiedene Materialien kontaktiert werden. Dass wir nun eine Möglichkeit haben, auch die supraleitenden Bereiche aus Silizium zu fertigen, könnte helfen, diese Kontaktstellen zu optimieren. Für solche Anwendungen könnte unsere Arbeit in der Tat einen wichtigen Fortschritt darstellen. Das Problem mit den tiefen Temperaturen, die wir brauchen, ist dadurch allerdings noch nicht vom Tisch.""
"Die einzige Supereigenschaft unseres kristallinen Siliziums ist, dass es supraleitend ist. Das heißt, wenn man es extrem abkühlt, leitet es elektrischen Strom ohne Widerstand."
Für die Grundlagenforschung ist das ein ziemlicher Knüller. Denn obwohl sich die elektrische Leitfähigkeit von Silizium in einem weiten Bereich variieren lässt, hat sich kristallines Silizium bislang allen Versuchen, seinen Widerstand vollständig zu brechen, widersetzt. Der Grund: Das Material sträubt sich gegen den Einbau großer Mengen von Fremdatomen. Diese so genannte Dotierung ist aber der Schlüssel zur Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiters. Weil reines Silizium kaum freie Ladungsträger hat, ist es bei Raumtemperatur ein elektrischer Isolator. Erst der Einbau von Fremdatomen wie Bor oder Phosphor, die anderen chemischen Gruppen angehören, erzeugt im Kristallgitter jene beweglichen Ladungsträger, die den Strom fließen lassen. Dabei zeigen schon erstaunlich kleine Mengen große Wirkung. 80 Boratome auf eine Million Siliziumatome genügen und schon leitet das dotierte Material Strom genauso gut wie echte Metalle, die von Natur aus mit reichlich freien Ladungsträgern gesegnet sind. Doch anders als die allermeisten Metalle, wird solch metallisches Silizium nicht supraleitend, wenn man es bis knapp über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Bustarret:
"”Die metallischen Eigenschaften sind eine notwendige Voraussetzung für den supraleitenden Zustand. Im speziellen Fall von Silizium reicht das aber nicht. Gegenüber metallischem Silizium mussten wir die Konzentration der freien Ladungsträger um mehr als einen Faktor zehntausend erhöhen, um das Material supraleitend zu machen.""
Erst nachdem die Forscher mehr als vier Prozent der Siliziumatome im Kristallgitter durch Bor ersetzt hatten, wurde der Widerstand unmessbar klein. Um diese extrem hohe Dotierung zu erreichen, mussten die Wissenschaftler eine ziemlich brachiale Methode einsetzen. Sie feuerten intensive ultraviolette Laserpulse auf die Probe. Bustarret:
"Durch den Laserbeschuss schmilzt das Silizium. Da wir auf seiner Oberfläche zuvor Boratome aufgebracht haben, mischen sich diese in das flüssige Silizium. Wenn die Flüssigkeit nach dem Laserblitz wieder abkühlt, erstarrt sie und bildet erneut ein Kristallgitter – nur dass sich jetzt Boratome an vielen Stellen befinden, wo zuvor Siliziumatome saßen."
Und die sorgen dafür, dass das so entstandene Super-Silizium bei Temperaturen von 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt zum perfekten Stromleiter mutiert. Für praktische Anwendungen sei das wegen des enormen Kühlaufwandes zwar kaum spannend, räumt Etienne Bustarret ein – wohl aber für die Grundlagenforschung. Bustarret:
"”Bei den supraleitenden elektronischen Bauelementen, die es heute schon gibt, ist das Hauptproblem immer die Schnittstelle zwischen den normal- und supraleitenden Bereichen dieser Bauteile. Denn dort müssen bislang zwei völlig verschiedene Materialien kontaktiert werden. Dass wir nun eine Möglichkeit haben, auch die supraleitenden Bereiche aus Silizium zu fertigen, könnte helfen, diese Kontaktstellen zu optimieren. Für solche Anwendungen könnte unsere Arbeit in der Tat einen wichtigen Fortschritt darstellen. Das Problem mit den tiefen Temperaturen, die wir brauchen, ist dadurch allerdings noch nicht vom Tisch.""