Magnesiumdiborid nimmt eine weitere Hürde

Herstellung von supraleitenden Filmen hoher Qualität

Nicht einmal zwei Jahre ist es her, da machte eine Substanz namens Magnesiumdiborid von sich reden. Völlig unerwartet hatten japanische Wissenschafter gefunden, dass dieses seit langem bekannte Material unterhalb der ungewöhnlich hohen Temperatur von 39 Kelvin (-234 °C) den elektrischen Strom ohne Widerstand leitet. Zwar reichte diese Sprungtemperatur bei weitem nicht an diejenigen der Hochtemperatursupraleiter heran. Von den herkömmlichen Supraleitern aber, die für gewöhnlich mit flüssigem Helium auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden müssen, hob sich dieser Wert deutlich ab.

Sensationell an der Entdeckung war vor allem, dass Magnesiumdiborid chemisch sehr simpel ist. Es ist daher viel einfacher herzustellen als die Hochtemperatursupraleiter, die ausserdem nur sehr umständlich verarbeitet werden können. Einen Teilerfolg auf dem Weg zu praktischen Anwendungen können nun Wissenschafter von der Pennsylvania State University verbuchen. Das Team um Xiaoxing Xi ist imstande, mit einem billigen Verfahren hauchdünne Magnesiumdiborid- Filme hoher Qualität herzustellen.

Eine Anwendung für Magnesiumdiborid sind etwa supraleitende Schaltkreise. Solche Bauelemente können zum Beispiel äusserst schwache Magnetfelder messen und werden unter anderem in medizinischen Geräten eingesetzt. Aufgebaut sind sie aus mehreren dünnen Schichten des Supraleiters. Dabei handelt es sich heutzutage meist um Niob und andere Materialien mit einer tiefen Sprungtemperatur. Einer Verwendung von Magnesiumdiborid standen bisher mehrere Hürden im Weg. So stellte es sich als schwierig heraus, dünne Schichten des Materials in hinreichender Qualität herzustellen. Mal wiesen die Filme gute Eigenschaften als Supraleiter auf, hatten aber eine zu raue Oberfläche. Ein anderes Mal waren die Filme zwar glatt, dafür aber von so vielen Unreinheiten durchsetzt, dass sie erst bei tieferen Temperaturen supraleitend wurden.

Den amerikanischen Forschern ist es nun gelungen, sowohl glatte als auch reine Filme zu fabrizieren. Sie verdampfen dazu Magnesium in einer Wasserstoffatmosphäre und leiten anschliessend Diboran, eine gasförmige Bor-Wasserstoff- Verbindung, in die Reaktionskammer. So bildet sich Magnesiumdiborid, das sich in der weiteren Folge auf harten Oberflächen wie Saphir oder Siliziumkarbid ablagert. Dem Wasserstoffgas kommt bei dem Verfahren eine besondere Rolle zu. Es verhindert, dass sich Magnesiumdioxid bildet, das sich in Form von Unreinheiten in den Film einbauen könnte.

Auch wenn das Verfahren noch verbessert werden muss, rücken supraleitende Schaltkreise auf der Basis von Magnesiumdiborid deutlich näher. Solche Schaltkreise müssten bei etwa 25 Kelvin betrieben werden. Diese Temperatur kann mit weniger Energieaufwand und kompakteren Kryostaten erreicht werden als die Temperaturen, bei denen gewöhnliche Supraleiter ihren elektrischen Widerstand verlieren.

Veronika Winkler

Quelle: Nature Materials 1, 5-6; 35-38 (2002).