Einem Forscherteam aus Frankreich ist es gelungen supraleitendes Silizum herzustellen! Was ist ein Halbleiter?

Silizium ist ein Halbleiter, d.h. er besitzt bei niedrigen Temperaturen keine freien Ladungsträger. Aber durch die thermischen Schwingungen brechen schon bei Zimmertemperatur genügend viele der Atombindungen zwischen den Si-Atomen auf und es entstehen freie Elektronen. Die Bindungslücken sitzen an den nun positiv geladenen Si-Atomen und können verschoben werden (Löcherleitung).

Damit leitet Silizium nicht so gut wie ein Metall aber deutlich besser als ein Isolator, zumindest bei Zimmertemperatur. Bei tiefen Temperaturen steigt der Widerstand stark an!

Schon lange werden Siliziumkirstalle dotiert, d.h. Fremdatome mit anderer Wertigkeit eingebaut. Atome mit drei Valenzelektronen erzeugen neue Bindungslücken, unterstützen also die Löcherleitung (p-Halbleiter). Atome mit fünf Valenzelektronen geben ihr zusätzliches Elektron beim Einbau in den Si - Kristall ab und unterstützen die Elektronenleitung (n-Halbleiter).

Die Mikroelektronik funktioniert durch Zusammenschalten von p - und n -Halbleitern!

Der Widerstand eines Supraleiters

Der Widerstand eines Metalles entsteht durch die Abweichung von der exakten Gitterstruktur und durch die Wärmebewegungen der Metallionen, die die Elektronenausbreitung behindern.

Bei einer Temperatur nahe 0 K fällt dieser Anteil weg, aber die Wirkung des unregelmäßigen Aufbaus sollte bleiben.

Alle Metalle und viele andere Stoffe aber ermöglichen bei sehr tiefen Temperaturen einen quantenmechanischen Effekt ihrer freien Elektronen (Entstehung von schwach gebundenen Cooper-Paaren), der zum vollständigen Verlust jedes elektrischen Widerstandes führt (Supraleitung).

Einmal angestoßen (z.B. durch Induktionseffekte eines Magnetfeldes) fließt der elektrische Strom im Supraleiter ohne Spannung als Antrieb permanent weiter.

Silizium als Supraleiter

Dotiert man einen Silizium-Kristall extrem stark mit Boratomen so wird er unterhalb von 0,35 K supraleitend!

Dotiert man 1 Bor - Atom pro 10 Milliarden Si-Atome, so erhält man einen normalen p-Halbleiter. Bei einer Dotierung von 1:10000 wird Silizium zu einem normalen Leiter und bei einer Dotierung von 1:50 wird es bei Abkühlung zu einem Supraleiter!

Um diese riesige Menge an Boratomen in das Silizium zu bringen, wird ein hochenergetischer, gepulster Laserstrahl benutzt, der einen dünnen Si-Film aufschmilzt und dabei Boratome hineindrückt, die dann beim Aushärten im Silizium festfrieren.

Die erfolgreichen Physiker aus Grenoble hoffen damit Nanostrukturen auf Siliziumbasis zu entwickeln, die supraleitend werden können.

Die Arbeit ist im letzten Nature 444,465 (2006) erschienen.