Nicht erwartet, aber sehr erwünscht: Quantenpunkte in Zinkoxid Nanodrähte eingebaut

Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Kristalle, in denen Elektronen eingesperrt sind. Leipziger Physikern ist es nun gelungen, solche Quantenpunkte in Zinkoxid (ZnO)-Nanodrähte einzubauen.

Seit einigen Jahren arbeiten die Wissenschaftler um Prof. Dr. Marius Grundmann, Direktor des Instituts für Experimentelle Physik II, und Koordinator des Europäischen Exzellenznetzes für Halbleiter-Quantenpunkte (Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics – SANDiE) an der Lösung dieses Problems.

„Nun ist es gelungen, auch wenn wir im konkreten Fall zunächst Quantenschichten angestrebt haben.“, freut sich Professor Grundmann. Damit ist der Weg für neue technische Anwendungen offen.

„Der Einbau der Quantenpunkte in ZnO-Nanodrähte wird die direkte Stromzufuhr an die Quantenpunkte erlauben und öffnet damit den Weg für neuartige nanoskopische Lichtquellen.“, sagt Professor Grundmann. „Diese könnten zukünftig für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie zum Beispiel als Quelle für polarisierte Einzelphotonen verwendet werden.“

Konsequenzen aus der Heisenberg'schen Unschärferelation

Den Prinzipien der Quantenmechanik folgend, bewirkt die scharfe räumliche Lokalisation der Elektronen einen Impuls und damit eine kinetische Energie. Diese konnte als Erhöhung der Photonenenergie von den Leipziger Forschern beobachtet werden. „Man sieht hier direkt die Konsequenzen aus der Heisenberg'schen Unschärferelation.“, erklärt Professor Grundmann.

Sein Doktorand Christian Czekalla, der im Rahmen der Graduiertenschule BuildMoNa von Professor Grundmann und Professor Jürgen Haase gemeinsam betreut wird, hat die Nanodrähte im Detail spektroskopisch untersucht. Hierzu nutzte er in Zusammenarbeit mit Kollegen des CNRS in Grenoble dortige Forschungsaufenthalte, um mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung einzelne Nanodrähte zu vermessen. Dabei fand er die spezielle Quantenpunkt-Emission, die sich durch große spektrale Schärfe auszeichnet. So konnte ein Effekt nachgewiesen werden, den man nicht erwartet hatte.

Überraschend: Quantenpunkte auf den Nanodrähten

Denn: „Es sollte eine dünne Schicht ZnO zwischen den magnesiumhaltigen Schichten entstehen, die als elektronische Barriere wirkt und die Elektronen im ZnO einzwängt. Die ZnO Nanodrähte wurden dazu mittels einer neuaufgebauten Apparatur für Gepulste Laserdeposition (PLD) bei für PLD ungewöhnlich hohen Drücken (etwa 100 mbar) in Leipzig hergestellt. Auf die ZnO-Nanodrähte wurde eine Materialabfolge von Magnesium-Zinkoxid, Zinkoxid und nochmals Magnesium-Zinkoxid abgeschieden.“, sagt der Leiter der PLD, Dr. Michael Lorenz. Auf flachen Substraten und großen Flächen wird dieser Prozess von den Leipziger Halbleiterphysikern gut beherrscht. „Auf den Nanodrähten ist aber keine zusammenhängende Schicht gewachsen, sondern es sind Quantenpunkte entstanden.“ so Dr. Lorenz.

Ursachen der Quantenpunktbildung aufgedeckt

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe des National Center of Scientific Research Demokritos in Athen, die auf Transmissions-Elektronenmikroskopie spezialisiert ist, wurden auch die mikroskopischen Ursachen der Quantenpunktbildung aufgeklärt.

Die Resultate wurden in Nanotechnology 19(11), 115202
(2008) veröffentlicht und auf dem Titelbild als „Featured Article“ präsentiert.
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Marius Grundmann
Telefon: 0341 97-32650
E-Mail: grundmann@physik.uni-leipzig.de