Bismutferrit: Ein Tausendsassa der Kristalle

Die Vielseitigkeit des Exoten ist nochmals gewachsen: Das Material dehnt sich im Licht aus und schrumpft im Dunkeln. Gut für Sensoren oder Schalter.

Von Rainer Scharf

Das kristalline Halbleitermaterial Bismutferrit sorgt derzeit in der Materialwissenschaft für Aufsehen. Der Kristall gehört zur den sogenannten Multiferroika, in denen Magnetismus und elektrische Polarität koexistieren und sich gegenseitig beeinflussen. Das eröffnet viele interessante Möglichkeiten für eine technische Nutzung, etwa in magnetischen Datenspeichern, auf die die Daten elektrisch geschrieben werden könnten. Unter den exotischen Substanzen sticht seit längerem das Bismutferrit hervor, da es noch vielseitiger ist als andere Multiferroika. Jetzt wurde eine weitere interessante Eigenschaft dieses Kristalls entdeckt, die bei Bestrahlung mit Licht zum Vorschein kommt.

Bismutferrit ist antiferromagnetisch, was an der Anordnung seiner Elementarmagnete liegt, die sich in den Eisenatomen befinden. Die Anordnung erinnert an ein Schachbrettmuster, auf dessen Feldern jeweils ein Magnet sitzt, der je nach Farbe des Feldes nach oben oder nach unten gerichtet ist. Da nahezu gleich viele Elementarmagnete nach oben wie nach unten zeigen, hebt sich der Magnetismus des Bismutferrits weitgehend auf. Doch die nahezu perfekte magnetische Ordnung hat einen Einfluss auf seine Kristallstruktur und damit auch auf seine anderen physikalischen Eigenschaften.

Weil die positiven Bismutionen im Kristallgitter ein wenig gegen die negativen Sauerstoffionen verschoben sind, trägt das kristalline Material eine ungewöhnlich starke elektrische Polarisation. Da diese über lange Zeit erhalten bleibt, aber mit einem elektrischen Feld verändert werden kann, lassen sich aus Bismutferrit ferroelektrische Datenspeicher herstellen, die für den Nutzer einen speziellen Vorteil haben. Im Gegensatz zu dem bisher in solchen Speichern verwendeten Blei-Zirkonat-Titanat enthält Bismutferrit kein gesundheitsschädliches Blei.

Bismutferrit ist außerdem ein piezoelektrisches Material. In einem elektrischen Feld werden die positiven und die negativen Ionen noch stärker verschoben, und der Kristall verformt sich. Das verändert auch die Ausrichtung der Elementarmagnete und damit die Magnetisierung des Kristalls. Verformt man den Kristall, indem man ihn unter Druck setzt, so nimmt seine elektrische Polarisation zu. Es können elektrische Funken entstehen, wie man sie in piezoelektrischen Feuerzeugen nutzt.

Bringt man einen Kristall aus Bismutferrit in ein Magnetfeld, so wird das Kristallgitter ebenfalls deformiert, und seine elektrische Polarisation ändert sich. Magnetisierung, elektrische Polarisation und die Verformung des Kristalls hängen daher aufs Engste miteinander zusammen. So könnte man zum Beispiel magnetische Bits, die jeweils aus einem winzigen Bismutferrit-Kristall und einer ferromagnetischen Substanz bestehen, durch einen elektrischen Impuls ummagnetisieren. Das ginge schneller und einfacher als das bisher übliche magnetische Beschreiben der Bits in den magnetischen Datenspeichern. Lesen könnte man das Bit aus Bismutferrit auf herkömmliche, magnetische Weise.

Die Steuerung der magnetischen Eigenschaften des Bismutferrits durch elektrische Felder ließe sich auch in der Spintronik nutzen. Im Gegensatz zur Elektronik nutzt diese nicht nur die Ladung des Elektrons, sondern auch die mit dem Elektronenspin verbundenen magnetischen Eigenschaften. So könnte man zum Beispiel den Elektronenstrom zwischen zwei elektrisch leitenden magnetischen Schichten - die durch eine dünne nichtleitende Schicht getrennt sind - dadurch steuern, dass man in einer der beiden Schichten die Magnetisierung mit einem elektrischen Feld ändert. Sind die Schichten gleich magnetisiert, können die Elektronen von einer Schicht zur andern gelangen. Sind sie statt dessen entgegengesetzt magnetisiert, ist der Weg für die Elektronen versperrt. So ließe sich ein Strom magnetisch steuern.

Schließlich ist Bismutferrit auch ein photovoltaisches Material. Ein Lichtteilchen oder Photon des sichtbaren Lichtes kann in diesem Halbleiter ein Elektron anregen, das sich dabei von einem der Kristallatome löst und sich dann frei im Kristall umherbewegen kann. Das negative Elektron hinterlässt an seinem Atom ein Loch, das positiv geladen ist. Da im Bismutferritkristall eine starke elektrische Polarisation herrscht, werden die Elektronen und Löcher effizient voneinander getrennt. Sie sammeln sich auf gegenüberliegenden Oberflächen des Kristalls an. Verbindet man die Oberflächen miteinander durch einen Draht, so fließt ein nutzbarer Photostrom.

Licht hat jedoch noch weitere Auswirkungen auf kristallines Bismutferrit, wie Forscher um Bohdan Kundys am Centre de Saclay nahe Paris jetzt herausgefunden haben. Sie berichten in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature Materials", dass sich ein 1,6 Millimeter langer Kristall aus diesem Material bei Bestrahlung mit weißem Licht oder mit rotem Laserlicht um etwa zwanzig Nanometer ausdehnt. Wird das Licht wieder ausgeschaltet, zieht sich der Kristall auf seine ursprüngliche Länge zusammen. Da die Längenänderung innerhalb von einer Zehntelsekunde stattfand, schließen die Forscher aus, dass sie durch Erwärmung des Kristalls hervorgerufen wurde, da dies wesentlich länger dauerte.

Wurde bei dem Experiment polarisiertes Licht benutzt, das eine bestimmte Schwingungsrichtung hatte, so hing die Längenänderung des Kristalls davon ab, wie die Schwingungsrichtung des Lichtes zum Kristallgitter orientiert war. Die größte Längenänderung fanden die Forscher, wenn sie das Licht so polarisierten, dass es in Richtung der elektrischen Polarisation des Kristalls schwang. Brachten sie den Kristall außerdem noch in ein Magnetfeld, so war die vom Licht hervorgerufene Längenänderung umso kleiner, je stärker das Magnetfeld war.

Die Forscher vermuten als Ursache der Längenänderung den photovoltaischen Effekt: Das Licht erzeugt Elektronen und Löcher, die durch die elektrische Polarisation des Kristalls getrennt werden. Dabei entsteht eine elektrische Spannung, die die positiven und negativen Kristallionen gegeneinander verschiebt und dadurch die Kristallstruktur deformiert. Das Magnetfeld wiederum wirkt dieser Ladungsverschiebung und damit auch der Längenänderung entgegen. Zu den vielen schon bekannten Anwendungsmöglichkeiten des Bismutferrits kommen in Folge des jetzt entdeckten Effekts noch weitere hinzu. Man könnte seine vom Licht hervorgerufene Längenänderung für optomechanische Sensoren, Schalter, Stellglieder oder Mikromotoren nutzen. Angesichts der vielfältigen Eigenschaften des Bismutferrits sind der Phantasie fast keine Grenzen gesetzt.

Text: F.A.Z., 04.08.2010, Nr. 178 / Seite N1