Forschung | Aus dem Labor | 2011 | Ferroelektrika: Digitales Gedächtnis in der Pol-Position

Ein Stoff, in dem positive und negative Ionen elektrische Dipole bilden. Die Orientierung der Dipole lässt sich mit einer äußeren Spannung ändern. Die Vorsilbe Ferro- bezieht sich auf die Analogie zu Ferromagneten, die mit einem äußeren Magnetfeld umgepolt werden.

Polarisation/Polarisierung

Gibt die Orientierung der elektrischen Dipole in einem Material an und die Stärke des elektrischen Feldes, das die Dipole erzeugen. Insofern stellt sie ein Maß dar, wie weit positive und negative Ladungen der Dipole auseinander gezogen sind.

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

Durch eine dünne Probenschicht wird ein Elektronenstrahl geleitet, der an den Atomen des Materials desto stärker gestreut wird, je höher die Ordnungszahl eines Atoms ist. Aus dem entstehenden Beugungsbild lässt sich die Kristallstruktur ermitteln. Allerdings liefern leichte Atome wie Sauerstoff in einem herkömmlichen TEM nur sehr schwache oder gar keine Kontraste.

Festkörperforschung . Materialwissenschaften

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Die Hallenser Forscher bringen ferroelektrische Substanzen für ihre Experimente auf verschiedene Probenträger auf. Der teilweise grün beschichte goldfarbene Halter in der Bildmitte dient zu Experimenten bei tiefen Temperaturen und in einem Magnetfeld. [weniger]

Arbeitsspeicher und Festplatte fusionieren

Ein Speicher aus einem ferroelektrischen Material kann beides: Er könnte Information sehr dicht zusammenpacken – und sich auch noch daran erinnern, wenn der Rechner ausgeschaltet wird oder der Strom ausfällt. In einem Ferroelektrikum wird Information nämlich auf permanenten elektrischen Dipolen abgelegt. Dort lässt sie sich mit einem elektrischen Feld, also einer Spannung, die sich auf einen sehr engen Raum begrenzen lässt, abrufen und verändern.

Die Dipole entstehen, weil in Ferroelektrika positiv und negativ geladene Ionen im Kristallgitter leicht gegeneinander verschoben sind. Sie können sich wie magnetische Dipole in entgegengesetzten Richtungen orientieren und so die Null und die Eins des digitalen Codes speichern. Und zwar dauerhaft: Die Ionen bleiben auch in den polarisierten Positionen, wenn die elektrische Spannung von außen, die zur Einstellung von Null oder Eins dient, wegfällt. Ganz so, wie die magnetischen Momente in Ferromagneten ihre Ausrichtung auch ohne äußeres Magnetfeld beibehalten. Dieser Analogie zu Ferromagneten verdanken die Ferroelektrika ihren Namen.

Ehe die Materialien jedoch die Fusion von Arbeitsspeicher und Festplatte ermöglichen, sind noch einige grundlegende Fragen zu klären: Auf welche Größe lassen sich ferroelektrische Datenpunkte schrumpfen und wie dicht lassen sie sich packen? Wie funktioniert genau die Umpolung? Kann man sie möglicherweise noch beschleunigen? Und wie lassen sich aus dem Material effizient Transistoren herstellen?

Auch um solche Fragen ging es, als Dietrich Hesse und Marin Alexe sich an jenem Spätsommerabend 1994 lange unterhielten. „Sie müssen unbedingt auch Herrn Gösele kennenlernen“, sagte Hesse am Ende des Abends zu seinem rumänischen Kollegen und führte ihn gleich am nächsten Morgen in dessen Büro. „Ich wusste nicht, wer Herr Gösele war“, sagt Alexe: „So ein netter Mann, und so jung – ich konnte gar nicht glauben, dass er Direktor war.“

Ulrich Gösele, der vor zwei Jahren völlig unerwartet gestorben ist, hatte die Forschung über Ferroelektrika am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik angeregt. „Sein Ziel war es immer, grundlegende Probleme mit Blick auf künftige Entwicklungen in der Mikroelektronik zu lösen“, sagt Dietrich Hesse, ein nachdenklicher, sehr zuvorkommender Herr. Und das bestimmt auch heute noch die Arbeit der Wissenschaftler in Halle: „Wir räumen die dicken Brocken aus dem Weg, der zu neuen elektronischen Anwendungen führt.

Einer der ersten Brocken, dem sie begegneten, war die Herstellung der Ferroelektrika. Die Materialien enthalten meist mehrere Metalle, darunter oft Titan, aber auch Bismut oder Blei, sowie Sauerstoff und hören auf sperrige Namen wie Bismuttitanat, Bleizirkonattitanat (PZT) oder Strontiumbismuttantalat (SBT). Damit die Substanzen ferroelektrische Eigenschaften annehmen, müssen ihre Zutaten nicht nur in genau abgemessenem Verhältnis abgemischt werden. Die Atome müssen sich auch zu einem akkuraten Gitter anordnen. Das ist chemische Präszisionsarbeit, mit der die Chemie meist überfordert ist. Darum greifen die Forscher in solchen Fällen zu einer physikalischen Methode, der gepulsten Laser-Abscheidung.

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