Elektronische Geräte funktionieren, indem sie den Fluss der Elektronen durch ihre Schaltkreise steuern. Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl der Materialien erreichen. In Metallen können Elektronen frei fließen, Isolatoren verhindern genau diese Leitung. Im Allgemeinen werden die elektrischen Eigenschaften eines Materials bei der Herstellung festgelegt und lassen sich später nicht mehr ändern. Es gibt jedoch Materialien, die je nach Temperatur das Verhalten eines Leiters oder eines Isolators zeigen können. Da sich die Eigenschaften dieser Materialien einfach schalten lassen, könnten sie zu einer ganz neuen Generation von elektronischen Geräten führen.
Vanadiumdioxid (VO2) ist ein solches Material. Knapp über Raumtemperatur wechselt es von einer isolierenden zu einer metallischen Phase – eine Fähigkeit, die bereits in Sensoren eingesetzt wird. Der Grund, warum die Eigenschaften dieses Materials sich so dramatisch ändern, ist jedoch schon seit über 50 Jahren in der Wissenschaft umstritten.
Eine der Herausforderungen bei der Analyse, warum und wie dieser Übergang passiert, liegt an einem Prozess namens Phasentrennung. Der Wechsel von Isolator zu Metall ist ähnlich wie der von Eis zu flüssigem Wasser. Wenn Eis schmilzt, können flüssiges und festes Wasser in verschiedenen Bereichen gleichzeitig vorliegen. Ganz ähnlich können in Vanadiumdioxid die isolierenden und metallischen Regionen während des Übergangs zur gleichen Zeit nebeneinander bestehen. Im Gegensatz zu Wasser, wo die verschiedenen Bereiche meist groß genug sind, um sie mit bloßem Auge erkennen zu können, geschieht die Trennung beim Vanadiumdioxid auf der Längenskala von Nanometern und ist deshalb schwer zu beobachten. Daher war es bislang schwer zu bestimmen, ob man jeweils die Eigenschaften einer der beiden Phasen oder aber eine Mischung aus beiden gemessen hatte.
Röntgenstrahlen sind wichtige Werkzeuge zum Erforschen von Materialien. Aber es hat sich bislang als schwierig erwiesen, sie zur Lösung dieses Problems einzusetzen. Denn hierzu benötigt man eine Kombination von hoher räumlicher Auflösung im Nanometerbereich sowie eine gute spektroskopische Empfindlichkeit, mit der sich die verschiedenen Phasen in einem Bild auseinanderhalten lassen. In einer neuen Studie, die im Fachblatt Nano Letters erschienen ist, konnte ein Wissenschaftlerteam vom Max-Born-Institut (MBI) und der Technischen Universität Berlin, des Institute for Photonic Sciences und ALBA in Barcelona sowie der Vanderbilt University in Tennessee nun endlich diesen Phasenübergang darstellen. Hierzu untersuchten die Forscher dünne Schichten von Vanadiumdioxid, die sie mittels resonanter Holographie mit weichen Röntgenstrahlen analysierten. Mit dieser Abbildungstechnik lassen sich die elektronischen und strukturellen Veränderungen mit einer räumlichen Auflösung von nur 40 Nanometern nachzuvollziehen – das ist 500.000 mal kleiner als der Eiswürfel in einem Drink.
Die Forscher beobachteten hierzu mikroskopisch kleine Kristallplättchen aus Vanadiumdioxid. Offenbar spielen kleine Defekte im Material eine wichtige Rolle dabei, den Phasenübergang vom Isolator zum Metall anzustoßen. Als noch wichtiger erwies sich jedoch ein dritter Zustand: ein Zwischenzustand, der sich während des Phasenübergangs ausbildete. Während einige Bereiche direkt von der isolierenden in die metallische Phase übergingen, wechselten andere zunächst in einen zweiten isolierenden Zustand, bevor sie bei höheren Temperaturen ebenfalls metallisch wurden. Die Entwicklung hing dabei jeweils von den Defekten ab, die im Material vorlagen. Die Koexistenz dieser drei Phasen hat die bisherige Sicht auf dieses Phänomen nun radikal gewandelt, da Forscher bislang nur von zwei nebeneinander bestehenden Phasen ausgingen. In Zukunft wollen die Wissenschaftler diesen Phasenübergang mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen anregen und so seine Dynamik entschlüsseln. „Da das Material während des Übergangs vom Isolator zu Metall anscheinend einen solchen Flickenteppich von verschiedenen Domänen bilden möchte, wollen wir beobachten, wie sich dieser Prozess im Zeitverlauf vollzieht, um ihn künftig besser zu verstehen und kontrollieren zu können“, sagt Prof. Stefan Eisebitt vom Max-Born-Institut in Berlin.
Die Röntgenholographie bietet einzigartige Möglichkeiten zum Erforschen von Materialien auf der Nanoskala. Indem man die kohärenten und ultrakurzen Pulse von Röntgenlasern wie dem kürzlich eingeweihten European X-Ray Free Electron Laser (XFEL) nutzt, ermöglicht es die Röntgenholographie als eine von nur wenigen Methoden überhaupt, die Dynamik ultraschneller Prozesse wirklichkeitsgetreu abzubilden. Diese geschehen in einem Festkörper innerhalb von Femto- und Pikosekunden. „Wir sind schon sehr gespannt darauf, einen Film über diesen Phasenübergang zu drehen, der das Wechselspiel zwischen den Atomkernen und den Elektronen in verschiedenen Bereichen des Materials zeigt“, sagt Prof. Simon Wall vom Institute of Photonic Sciences in Barcelona. „Über Vanadium-Dioxid hinaus wird uns dieser Ansatz helfen, die fundamentalen Eigenschaften von vielen faszinierenden Materialien zu verstehen, darunter zum Beispiel auch die der Hochtemperatur-Supraleiter.“
Abb. 2: Nano-Flickenteppich der unterschiedlichen Bereiche, die sich während des Phasenübergangs bei verschiedenen Temperaturen bilden, aufgenommen mit einer Reihe von Röntgenhologrammen wie dem in Abb. 1. Die verschiedenen Bereiche und Defekte in den Vanadium-Dioxid-Kristalliten sind in Falschfarben dargestellt, um ihre unterschiedlichen Eigenschaften wiederzugeben: rot: Defekte, schwarz: isolierende M1-Phase, blau: neu beobachtete isolierende M2-Phase, grün: metallische R-Phase. Die 500 Nanometer-Skala am Rand entspricht ungefähr einem hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.
