Ein und dasselbe Schichtmaterial kann als Supraleiter, Metall, Halbleiter oder Isolator eingesetzt werden, indem ein von RIKEN-Physikern entwickeltes Transistorbauelement zur Veränderung seiner elektronischen Eigenschaften verwendet wird. Die Methode könnte zur Entdeckung neuer Supraleiter beitragen.
„Die Vielfalt der elektronischen Eigenschaften eines einzigen Materials ist für uns aus materialwissenschaftlicher Sicht höchst interessant“, sagt Yoshihiro Iwasa vom RIKEN Center for Emergent Matter Science, der das Team leitete. Bei dem Material handelt es sich um Molybdändisulfid (MoS2), das als unglaublich dünner Kristall isoliert werden kann, der Schichten von Molybdänatomen enthält, die von Schwefelatomen umschlossen sind. Diese Schwefelatome können auf unterschiedliche Weise angeordnet werden, wodurch zwei verschiedene Phasen entstehen, die als 2H und 1T bekannt sind. Die 2H-Phase ist ein Halbleiter, während die 1T-Phase metallisch ist. „2H-Molybdändisulfid ist sehr vielversprechend für den Einsatz in Halbleiterbauelementen der nächsten Generation“, so Iwasa.
Supraleitende Wirkung
Die RIKEN-Forscher haben diesen Phasenübergang nun genauer untersucht. Sie bauten ein Gerät, einen so genannten Feldeffekttransistor, und schlossen ihn an eine Probe von 2H-Molybdändisulfid an. Indem sie die Spannung des Transistors variierten, konnten sie Kaliumionen präzise in das Material leiten. Je mehr Kalium in das Material gelangte, desto mehr änderte sich die Phase des Materials plötzlich von 2H zu 1T – etwa wenn auf fünf Molybdänatome zwei Kaliumionen kamen. Wenn man dann die richtige Menge Kalium hinzufügte und die Probe auf -268 °C abkühlte, stellten die Forscher fest, dass die 1T-Phase zu einem Supraleiter wurde.
Obwohl die Supraleitung bereits zuvor in der 2H-Phase beobachtet worden war, war dies für die 1T-Phase unerwartet, und sie trat bei einer anderen Temperatur auf. „Die größte Überraschung für uns ist, dass wir Supraleitung beobachteten, als wir Kaliumionen einführten“, sagt Iwasa.
Mit Kalium zum Isolator
Es gab noch mehr Überraschungen. Das Material verwandelte sich von einem Metall in einen Isolator, als die Forscher Kalium aus 1T-Molybdändisulfid austreten ließen, bis es relativ geringe Mengen der Ionen enthielt, und die Temperatur auf -193 °C einstellten. „Wir fanden das interessant, weil wir dieses Phänomen nicht erwartet hatten“, sagt Iwasa.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Einführung von Kaliumionen auf diese Weise eine leistungsfähige Methode zur Kontrolle der Struktur und der Eigenschaften von zweidimensionalen Materialien wie Molybdändisulfid ist.
„Wir haben diese Methode in den letzten zehn Jahren entwickelt“, sagt Iwasa. „Und wir haben gezeigt, dass sie nicht nur für die Erforschung neuer Eigenschaften von Supraleitern und verwandten elektronischen Phasen nützlich ist, sondern auch für die Entdeckung neuer Supraleiter.“
