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Hauchdünne Schichten aus Nickeloxid-Kristallen verhalten sich wie Metall und Isolator zugleich - Syntheseverfahren für neue Materialklasse

Polare Metalle bilden eine völlig neue Klasse von Materialien, die eigentlich widersprüchliche Eigenschaften in sich vereinen. Schon in den 1960er Jahren wurden sie theoretisch vorhergesagt, doch erst vor wenigen Jahren erstmals experimentell bestätigt. Eine amerikanische Forschergruppe entwickelte nun eine neue Strategie, um polare Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften gezielt herstellen zu können. Ihre ersten Versuche, präsentiert in der Fachzeitschrift „Nature“, führten zu einer hauchdünnen Kristallschicht, die sich gleichzeitig wie ein Metall und ein Isolator verhielt.

„Unser Designkonzept kann zu funktionalen Materialien führen, in denen widersprüchliche Eigenschaften koexistieren“, sagt James Rondinelli von der Northwestern University in Evanston. So sollte ein neues polares Metall sowohl elektrischen Strom sehr gut leiten können, als auch elektrisch polarisierbar sein wie ein Isolator. Dazu wählten Rondinelli und seine Kollegen von der University of Wisconsin in Madison eine Gruppe von Nickeloxid-Verbindungen. Diese Nickelate formten zusammen mit Seltenen Erden-Elementen wie Neodym oder Lanthan spezielle Kristallstrukturen, die – rein theoretisch – für die Vereinigung widersprüchlicher Eigenschaften geeignet sein sollten.

Aufwendige Computersimulationen zeigten, dass sich die Atomen in diesen Nickeloxid-Kristallen in zwei getrennten Schichten anordneten. Eine davon sollte für die metallische Leitfähigkeit, die andere für den Aufbau von Dipolmomenten für eine elektrische Polarisierung verantwortlich zeichnen. Diese Idee setzten die Forscher in einem Experiment um, bei dem sie Neodymnickeloxid-Kristalle in nur wenige millionstel Millimeter dünnen Schichten auf einer extrem glatten Unterlage aus Lanthanaluminiumoxid wachsen ließen.

Diesen Kandidaten für ein polares Metall untersuchten die Wissenschaftler mit zahlreichen Methoden – vom Elektronenmikroskop bis zur Strukturanalyse mit Röntgenstrahlung. Dabei zeigte sich, dass sich die Kristallstruktur sehr stark an der atomaren Ordnung der glatten Aluminiumoxid-Unterlage ausgerichtet hatte. Allein dadurch, so sind die Forscher überzeugt, konnten sich zwei Schichten mit voneinander unterschiedlichen Eigenschaften ausbilden. Tatsächlich zeigten weitere Messungen, dass diese hauchdünnen Kristallschichten einerseits elektrischen Strom leiteten wie ein Metall und andererseits elektrisch polarisierbar waren wie ein Isolator.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt einen neuen Weg auf, um über die geometrische Anordnung von Atomen die elektrischen Eigenschaften in kristallinen, hauchdünnen Schichten zu kontrollieren. Auf dieser Basis könnten nun weitere polare Metalle entwickelt werden, die elektrische, magnetische und sogar optische Eigenschaften in sich vereinen. Solche auch Multiferroika genannten Werkstoffe könnten etwa zu neuartigen Schaltkreisen oder Datenspeichern führen.