Atomare Pinzette für Halbleiter

Wie mit einer Pinzette können die Forscher des Paul-Drude-Instituts mit der Spitze ihres Rastertunnelmikroskops Atome anheben und verschieben. Das passiert bei vier Grad Kelvin, also nahe dem absoluten Nullpunkt und unter extrem schwingungsgedämpften Bedingungen.

Das ganze verfolgen sie dann auf dem Bildschirm eines PCs, der das Mikroskop steuert. Die Forscher berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters (103, 096104, 2009). „Bei unserem Experiment können wir das Verhalten von einzelnen Atomen an einer Oberfläche direkt sehen“, sagt Dr. Stefan Fölsch. Was bisher nur mit Metallen funktionierte, gelang nun erstmals auch mit Indiumarsenid, einem typischen Halbleitermaterial. Stefan Fölsch erläutert den Unterschied: „Bei Metallen ziehen wir das Atom quasi über die Oberfläche. Bei Halbleitern würde das nicht funktionieren, weil die Atome dort eine stärkere chemische Bindung an die Oberfläche haben.“

Ein Rastertunnelmikroskop nutzt den sogenannten „Tunneleffekt“ zum Abtasten von Oberflächen elektrisch leitender Materialien und bildet deren Ladungsverteilung atomar genau ab. Damit lassen sich aber auch Atome manipulieren. Zum Abtasten fährt eine atomar feine Nadel in einem Abstand von nur wenigen zehntel Nanometern über die Oberfläche, ohne sie jedoch zu berühren. „Bei solch geringen Abständen gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Danach besteht eine endliche Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen die Energiebarriere zwischen Oberfläche und Spitze überwinden können“, erläutert Fölsch. Beim Anlegen einer Spannung fließt dann ein sogenannter Tunnelstrom. Dessen Stärke hängt extrem empfindlich vom Abstand zwischen Oberfläche und Spitze ab.

Um ein Indiumatom zu verschieben, gehen die PD-IForscher nun folgendermaßen vor: Sie positionieren die Spitze über dem Atom und können Spannung und Tunnelstrom so einstellen, dass das Atom von der Oberfläche zur Spitze springt. Dies geschieht dadurch, dass der fließende Strom das zunächst ruhende Atom anregt und seinen elektrischen Ladungszustand zum Transfer ausnutzt. Dann wird die Spitze zurückgefahren und an eine gewünschte Position bewegt. Dort, wo das Atom abgelegt werden soll, wird die Spitze samt Atom herunter gefahren, bis ein mechanischer Punktkontakt entsteht – das Atom klebt wieder auf der Oberfläche.

Auf diese Weise haben die Wissenschaftler Ketten von Indiumatomen sowie Drei- und Sechsecke erzeugt. Was wie eine atomare Spielerei erscheint, eröffnet neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung. Denn die Forscher interessiert vor allem, wie die Elektronenverteilung der atomaren Gebilde ist. Bei einem Indium-Nanodraht bestehend aus bis zu sechs Atomen konnten sie diese bereits messen. „Die Wechselwirkung von Halbleitern mit sogenannten Dotieratomen, welche Ladung mit dem Kristallgitter austauschen, ist von großer Bedeutung für die Eigenschaften von Halbleitermaterialien“, begründet Stefan Fölsch das Interesse der Forscher an den elektronischen Zuständen von einzelnen Atomen. Ein weiteres spannendes Gebiet ist die Kombination von Halbleitern mit magnetischen Atomen. Solche Materialien könnten neben der Ladung auch das magnetische Moment der Elektronen, den Spin, zur Informationsverarbeitung nutzen. Die nun veröffentlichten Experimente eröffnen die Möglichkeit, weitere detaillierte Erkenntnisse über die Physik allerkleinster Halbleiter-Strukturen zu bekommen.

Kontakt:
Dr. Stefan Fölsch, Paul-Drude-Institut
Tel.: 030 20377-459
E-Mail: foelsch@pdi-berlin.de